纳米线热导率的尺寸效应

摘要

当今世界面临着环境污染、能源危机，寻找新型的环保能源迫在眉睫。热电材料是很重要的能量转换材料。热电优值是评价热电性能的重要指标，高的热电优值决定了材料优异的热电性能。降低材料的热导率是提高热电性能的有效手段。硅具有价格低廉，制备工艺成熟的优点，在半导体工业中应用比较广泛，所以硅可能成为一种具有广泛应用前景的热电材料。由于体硅具有较高的热导率和很低的热电优值，体硅材料的热电性能很低,但是经过纳米化之后，硅的热导率显著降低。因此硅纳米线成为了一种受关注的热电材料。
　　纳米线的尺寸（长度和直径）对声子热输运有显著影响，是调控热导率的有效手段，具有重要的研究意义。本文引入方向相关的声子-边界散射，通过求解弛豫时间近似下的声子玻尔兹曼输运方程，研究纯硅纳米线以及硅锗纳米线热导率的尺寸效应。研究表明，声子边界散射机制对纳米线热导率的尺寸效应有关键性的影响，随着镜面因子的增加，纳米线热导率的长度效应增强，而热导率的直径效应减弱。与纯硅纳米线相比，硅锗纳米线的热导率具有更强的长度效应和更弱的直径效应。这是由于合金散射，硅锗纳米线中的高频声子对热导率的贡献被严重抑制，低频声子对热导率的贡献很大，而低频声子自由程很长，与边界散射的镜面因子接近于1，具有弹道输运的性质。
　　本文的研究，在理论方面对理解低维材料的声子输运提供了帮助，在应用方面对声子工程调控纳米线的热导率提供了依据。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 热电材料

1.2 硅纳米线简介

1.2.1 硅纳米线的制备

1.2.2 硅纳米线的应用

1.3 硅纳米线热导率的研究现状及进展

1.4 本文研究的目的、意义及内容

第2章 声子玻尔兹曼输运方程的研究方法

2.1 纳米线热导率计算公式的推导

2.2 纳米线中的声子散射机制

2.3 声子边界散射的处理方法

2.4 本章小节

第3章 纳米线热导率尺寸效应的计算结果及其解释

3.1 纳米线热导率的计算结果

3.1.1 纳米线热导率的长度效应

3.1.2 纳米线热导率的直径效应

3.1.3 纳米线热导率的粗糙度效应

3.2 纳米线热导率的理论解释

3.2.1 归一化累积热导率分布函数

3.2.2 声子平均自由程谱

3.3 本章小节

第4章 总结和展望

4.1 论文总结

4.2 论文展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果