基于拓?fù)浣^緣體薄膜的3D超晶格納米結(jié)構(gòu)熱電性能的幾何依賴性與優(yōu)化分析.pdf

1、熱電器件作為利用塞貝克效應(yīng)能使廢熱產(chǎn)生電能的固體電子器件，是解決可持續(xù)發(fā)展中能源問題的重要解決方案。但迄今為止，熱電材料普遍較低的熱電轉(zhuǎn)換效率限制了該功能器件在溫差發(fā)電的應(yīng)用前景，使得尋找足夠高熱電ZT值的熱電材料的理論研究和實驗研究近幾十年來備受關(guān)注。事實上，最近人們分別在AgPb18SbTe20，Bi2Te3基材料的超晶格形態(tài)，填充Skutterudite型材料，NaCo2O4,Ca3Co4O9等金屬氧化物材料均測量到了較高的熱電Z

2、T值，也總結(jié)出了提升熱電材料ZT值的基本手段，即使得材料具有較低的晶格熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率，同時擁有較大的塞貝克系數(shù)和較高的電導(dǎo)率。而作為廣泛用于熱電制冷的Bi2Te3型熱電材料，如何用低維超晶格化的方法高效提升其ZT值一直是個理論和實驗研究熱點。最近，隨著具有奇特物理性質(zhì)的三維拓?fù)浣^緣體之發(fā)現(xiàn)，以及常見的Bi2Te3熱電材料恰好也可以是拓?fù)浣^緣體，引起了人們利用拓?fù)浣^緣體擁有高遷移率表面態(tài)與較窄的體帶隙的獨特性質(zhì)來設(shè)計具有更高熱電優(yōu)值材料的

3、廣泛興趣。研究者期望獲得相比塊體Bi2Te3基(ZT～1)熱電材料顯著提升的ZT值，以開發(fā)下一代高效熱電器件。
　　本文基于Zheyong.Fan等人的設(shè)計的基于三維拓?fù)浣^緣體Bi2Te3薄膜的3D納米超晶格結(jié)構(gòu)來提升熱電ZT值的理論研究。該3D超晶格結(jié)構(gòu)利用真空孔洞的對聲子界面散射降低了晶格熱導(dǎo)率，同時利用表面態(tài)電子的高遷移率，以及界面散射的能量濾波作用散射低能量電子，于是在一定化學(xué)勢和溫度下獲得了很高的熱電ZT值。我們利用修正

4、有效近似理論和Landauer輸運理論分別數(shù)值計算了體系熱電性質(zhì)與其幾個關(guān)鍵幾何參數(shù)之間的依賴關(guān)系，詳細(xì)描述其隨幾何參數(shù)增大而演化的模式并用基本輸運理論解釋其中機(jī)制，分析熱電ZT值對幾何參數(shù)組合的優(yōu)化，探尋其中的特征幾何尺寸是如何通過影響電子輸運和晶格熱輸運而改變該3D超晶格結(jié)果的熱電轉(zhuǎn)換效率。本文工作的意義在于以開辟通過納米幾何優(yōu)化設(shè)計的方法來提高低維超晶格化的拓?fù)浣^緣體熱電材料之ZT值的新途徑，同時為在其他低維材料中研究熱電性能的尺

5、寸依賴性提供參考。
　　我們將在本文第一，二章介紹熱電效應(yīng)基本原理，熱電ZT值提升理論和熱電材料研究的最新進(jìn)展，以及電子輸運系數(shù)和晶格熱導(dǎo)率的基本計算理論。在第三章詳細(xì)介紹本文研究的背景與采用的計算方法。將第四，五，六，七章作為數(shù)值計算結(jié)果的討論分析章節(jié)，分別詳細(xì)闡述了得到的數(shù)值結(jié)果:1）3D超晶格熱電輸運對幾何放大倍數(shù)m的標(biāo)度關(guān)系2）晶格熱導(dǎo)率對3D超晶格幾何參數(shù)的依賴及敏感度分析3）3D超晶格結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)率，塞貝克系數(shù)，功率因子