壳层掺杂硅纳米线热导率的分子动力学模拟

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1、-李宝华湘潭大学硕士学位论文第1章第1章绪论1.1热电材料热电材料是一种将电能与热能相互转化的材料，基于热电效应理论，常被用于制造热电制冷器和温差发电器。这些热电器件相比于传统的压缩制冷器和热产生器，具有很多优点，如体积小、稳定可靠、重量轻、坚固、工作无噪音；对环境的污染很小，不必使用氟里昂等有害大气层的物质；节约能源，可将废弃热源转变成电能等。近年来，随着航天技术、微电子技术的发展以及能源和环境危机的加剧，各国都开始致力于寻找高效无污染的能量产生方式和制冷方式，因此开发高性能的热电材料已经越来越受材料研究学者的重视。热电器件之所以有那么多

2、优点和用途，是与热电材料的构造及其工作原理密不可分的。热电材料工作的主要理论基础是热电第一效应和热电第二效应，即塞贝克效应（Seebeckeffect）和珀尔贴效应（Peltiereffect）[1]。1821年，德国物理学家ThomasSeebeck通过实验研究发现了Seekbeckeffect，即将两根不同的导体两端相连，构成一闭合回路，如果两个连接处被保持在不同的温度（T和DT），那么就会产生比例于DT的电压DV，导致回路中产生电流，如图1-1(a)所示；随后法国科学家Peltier于1834年通过实验得出了著名的热电第二效应—Pel

3、tiereffect，即两根不同的导体连接后通以电流，在接触处便有吸热或放热现象，如图1-1(b)所示。MaterialAMaterialAMaterialBIT+TII absorbrejectMaterialBMaterialBDV(a)Seebeckeffect(b)Peltiereffect图1-1热电效应原理图根据Peltiereffect和Seebeckeffect原理，可以构建一个多功能的热电偶模块，如图1-2所示，此热电模块由一块n型半导体、一块p型半导体、金属接触衬底和导线构成，其中n、p型半导体通过金属衬底相连。无论是热

4、电制冷还是能量----1----李宝华湘潭大学硕士学位论文第1章产生都可以用此热电偶模块来得到。热电制冷器是利用Peltiereffect原理制成的，在图1-2(a)所示的热电制冷模块中，由于p型半导体中空穴为主要载流子，当电流从金属流向p型半导体材料的时候，金属中的空穴必须吸收能量才能通过接触面，所以在接触面处会产生冷却区；同样，当电流由n型材料流向金属时，接触面处将会吸收热量，这样总的效果会使半导体共同与金属相连的一端不断的从周围环境中吸收热量，从而降低温度，构成制冷器单元。将这些制冷热电偶串连成热电偶阵列，就会形成大功率的热电制冷器温

5、，可以得到较大的温差。温差发电器是利用Seebeckeffect原理制成的，其工作原理与热电制冷器相反，如图1-2(b)所示，将半导体两端分别置于冷源和热源，那么就会在开路两端a，b处产生温差电动势，如果回路闭合，则会产生电流。ActivecoolingHeatsourceppnnHeatrejectionHeatsinkII(a)Refrigerationmode(b)Powergenerationmode图1-2n、p型半导体的热电偶模块示意图1.1热电优值及其提高方法由温差发电和热电制冷的理论可知，通常用热电优值Z来评价某种热电材料的

6、效率高低，但是Z对于温度是敏感的，因此定义了无量纲化的热电优值来对其进行评估：ZT=2s+(1-1)ST/(ek)kp其中S为塞贝克系数，T为绝对温度，s为电导率，ke表示电子对热导率的贡献，kp表示声子对热导率的贡献。从公式中可以看出，为了得到一个较高的ZT值，材料必须要具有较高的塞贝克系数S和电导率s，另外还要有较低的热导率k。塞贝克系数S可以通过实验方法和理论计算方法来进行探究，例如可以----通过掺杂、替代等杂化方法来提高S值，它通常情况下是与材料的物理和化学性2----李宝华湘潭大学硕士学位论文第1章质有关的；材料的电导率s一般与

7、载流子浓度和载流子的迁移率有着紧密的关系，同样亦可采用杂化的方法调节载流子浓度及迁移率来控制电导率；热导率k，对于不同的材料其产生的主要原因也不同，对于金属，主要是通过电子的运动，ke为主要贡献；而绝缘体的热导率主要依靠格波的传播，即声子的的运动，kp为主要贡献；对于半导体而言，则是由ke和kp共同决定了。因为上述公式中几个参数在晶体中都不是独立的，而是相互依赖的，所以要想从整体上增加ZT值是比较困难的。例如通常增加电导率s的同时，热导率k也会随之增加，当电导率s增加到一个临界值之后，随着s的进一步增加，k反而会大幅度减小。过去一段时间内，

8、由于电子及能带结构等理论基础的欠缺、实验设备的不足，使得对于如何提高ZT值的问题研究进展有限，大部分的热电材料ZT<=1。目前随着半导体材料的发展、材料合成领域技术的提高、精密仪