纳米多孔结构单晶硅热电薄膜声子热导率数值研究

为降低多孔热电薄膜的热导率来提升其热电转换效率,基于离散坐标法和松弛时间近似模型求解声子Boltzmann输运方程,对单晶硅纳米多孔热电薄膜声子热导率进行了数值研究,获得了多孔硅薄膜厚度、孔隙率、边界镜面率和声子散射边界面积对其热导率的影响规律,讨论了孔隙率、多孔薄膜厚度对薄膜各向异性导热特性的影响。结果表明:随着孔隙率的增加及薄膜厚度的减小,热导率逐渐降低;当孔隙率增加到64%,且硅薄膜厚度减小到块材料硅声子平均自由程的1/10时,与块材料热导率相比,薄膜热导率至少下降两个数量级。通过分析多孔薄膜中的热流分布特性,提出了优化设计薄膜多孔结构的方法,为设计低热导率高效热电薄膜提供了理论依据。

多约束纳米结构的声子热导率模型研究

纳米技术的快速发展使得对微纳尺度导热机理的深入研究变得至关重要.理论和实验都表明,在纳米尺度下声子热导率将表现出尺寸效应.基于声子玻尔兹曼方程和修正声子平均自由程的方法得到了多约束纳米结构的声子热导率模型,可以描述多个几何约束共同作用下热导率的尺寸效应.不同几何约束对声子输运的限制作用可以分开计算,总体影响则通过马西森定则进行耦合.对于热流方向的约束,采用扩散近似的方法求解声子玻尔兹曼方程;对于侧面边界约束,采用修正平均自由程的方法计算边界散射对热导率的影响.得到的模型能够预测纳米薄膜(法向和面向)及有限长度方形纳米线的热导率随相应特征尺寸的变化.与蒙特卡罗模拟及硅纳米结构热导率实验值的对比验证了模型的正确性.

硅的浓度对Si-Ge合金声子热导率影响的数值研究

为计算硅的浓度对Si-Ge合金材料声子热导率的影响,利用线性插值的方法,对Si、Ge的参数进行取值。以Gauss-Legendre公式为基础进行数值积分,通过Matlab计算本征热导率与Callaway、Holland模型中声子热导率的比值。研究发现,当浓度fi与原子相对质量Mi满足关系:fGeMGe≈fSiMSi时,对声子热导率影响最大。

La_(2-x)Sr_xCuO_4单晶的各向异性热导率的测量

采用加热器和温差电偶搭建了低温热导率的稳态法测量装置,并研究了高温超导材料La_(2-x)Sr_xCuO_4(x=0.01~0.04)单晶的各向异性热导率.实验发现:热导率随温度的变化存在明显的声子峰,并且随着Sr掺杂量的增大,声子热导率逐渐被压制,声子峰的强度也逐渐变弱,该现象来源于掺杂引起的晶格无序度的增强.对于欠掺杂的样品,a方向的热导率总是比b方向的大,这可能源于自旋/电荷沿a轴方向形成准一维的条纹状分布,而准一维的条纹结构会对b方向传导的声子产生额外的散射作用.

石墨烯纳米条带的热电性质研究

利用非平衡格林函数方法与朗道输运理论,研究石墨烯纳米条带的热电性质。研究结果表明:zigzag型石墨烯纳米条带的热电性质随着宽度的增加而减少;armchair型石墨烯纳米条带的热电性质不仅与宽度有关,而且与其带隙是否被打开有关,当其表现为半导体时,其热电性质远大于zigzag边缘的石墨烯纳米条带。

二维锑烯声子输运的第一性原理研究

二维锑烯作为具有宽带隙的新型半导体材料,在热电、光电等领域具有良好的应用前景。本文利用第一性原理方法研究了不同层数二维锑烯的电子结构、热力学稳定性与声子输运特性.二维锑烯随着层数的增加,原子层弯曲程度减小,电子带隙值下降,呈现了半导体-金属特性的转变.单层锑烯在室温下单位截面积声子热导约为0.190 GW·m^(-2)K^(-1)。由于层间相互作用力的存在以及原子层弯曲程度的改变,声子热导随层数的增加而逐渐减小,四层锑烯的声子热导已经接近块体锑的声子热导。

能源效率、热电效应和纳米技术

文章介绍了能源效率、热电效应以及纳米技术这三者之间的关系。文章首先讨论了能源效率的重要性以及余热浪费对能源效率的影响,然后介绍了材料的热电效应以及利用热电效应使余热发电的可能性和实际应用中的主要障碍。最后阐明了近年来纳米技术的发展使得这一技术有可能取得突破性进展的主要原因。