低维硅纳米结构的热电性能的理论研究

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1、学校代码10530学号201510121182分类号密级硕士学位论文低维硅纳米结构的热电性能的理论研究学位申请人陈凤姣指导教师钟建新教授学院名称物理与光电工程学院学科专业物理学研究方向计算物理二〇一八年六月八日ThethermoelectricperformanceoflowdimensionalsiliconnanostructureCandidateFengjiaoChenSupervisorProfessorJianxinZhongCollegeSchoolofPhysicsandOptoelectronicsProgramP

2、hysicsSpecializationComputationalPhysicsDegreeMasterofScienceUniversityXiangtanUniversityDateJune8th,2018摘要随着科学技术的飞速发展，人口的不断增加以及工业化进展的加快，能源短缺和环境污染问题日益严峻。为了解决这些问题，人们迫切需要寻找到高效、低污染的新能源技术，热电转换就是有效途径之一。热电材料能够将热能与电能进行直接转换，但由于材料转换效率低，制备成本高昂，在实际生产生活中的应用受到了极大地限制。不过近年来石墨烯的发现引发了各

3、国科学家们对纳米热电材料研究的热潮。纳米材料由于具有更大的晶面与量子限制效应，与块体相比，热电性能更加优异。硅作为微电子产业的支柱，制备技术成熟，那么对硅基纳米材料热电性能的研究，将更具实际应用意义。本文采用密度泛函紧束缚（DFTB）结合非平衡格林函数（NEGF）的方法对两种典型硅纳米结构（哑铃状硅烯纳米带及Si24纳米线）的热电性能进行了深入研究，这些结果将为寻找高效的硅基热电材料提供可靠的理论指导。文章主要研究内容如下：1、我们研究了扶手椅型哑铃状硅烯纳米带（A-DB-SNRs）和锯齿型哑铃状硅烯纳米带（Z-DB-SNRs）的电

4、子、声子输运性质及热电性能。我们的计算结果表明，哑铃状硅烯纳米带有良好的热电性质。其中，Z-DB-SNRs的声子热导随着宽度的增加呈阶梯状增加的趋势，这一独特现象可以通过分析其声子态密度获得解释。此外，我们还探究了温度对哑铃状硅烯纳米带的影响，随着温度的增加，它们的??值将逐步提升，当温度为600K时，A-DB-SNRs（NA=4）的??值能达到2.34。2、基于光电与热电技术结合的目的，我们还研究了Si24纳米线的热电性能。通过对不同晶相Si24纳米线热电性能的计算，结果表明[010]晶向的Si24纳米线具有较高的??值。此外，我

5、们探讨了Ge原子掺杂对[010]晶向Si24纳米线的热电性能影响。计算发现随着掺杂浓度的增强，Si24纳米线的热电性能逐渐提升，通过对其功率因子和声子热导的分析发现，声子热导的下降对它的提升起主导作用。而声子热导的下降是由于掺杂破坏了Si24纳米线的声子传输通道，引起了声子的散射，声子的透射遭到削弱所致。关键词：硅；纳米结构；热电性质IAbstractWiththerapiddevelopmentofscienceandtechnology,theworld'spopulationisincreasingandtheworldand

6、industrializationisaccelerating,energyshortageandenvironmentalpollutionproblemarebecomingincreasinglyserious,thermoelectricmaterialsisanimportantmeanstosolvetheseproblems.Thermoelectricmaterialscandirectlyconverttemperaturedifferencestoelectricvoltageandviceversa,butth

7、eyarelimitedinpracticalapplicationsbecauseoftheirlowconversionefficiencyandhighcost.However,thediscoveryofgraphenehastriggeredanupsurgeofresearchonnanomaterialsbyscientistsfromallovertheworld.Thethermoelectricpropertiesofnanomaterialsarebetterthanthoseofbulkmaterialsdu

8、etotheirlargercrystalplaneandquantumconfinementeffect.Siliconasthepillarofmicroelectronicsindustry,thestudyofthermoel