分级无序硅纳米结构中的蒙特卡洛声子输运模拟

分级材料纳米结构化被认为是高性能热电材料的一个非常有前景的方向。在本工作中，我们研究了分级纳米结构化硅中的热输运。我们考虑纳米晶性与纳米孔的共同存在，其以有序与随机化的位置和尺寸排列，通过使用蒙特卡洛方法求解玻尔兹曼输运方程。我们表明，当平均晶粒尺寸小于平均声子平均自由程时，纳米晶界会更剧烈地降低热导率。引入孔隙进一步降低热导率。然而，当其效应在孔隙尺寸与位置随机化时显著更严重，因为随机化导致沿声子输运方向出现较高孔隙率的区域，从而引入显著的热阻。我们表明随机化相当于总体有效孔隙率的大幅增加。利用我们的模拟，我们显示现有的紧凑纳米晶与纳米多孔理论模型在均匀纳米结构化条件下准确描述热导率，但在随机化几何中高估了它。我们提出对这些模型的扩展，仅基于少量几何特征即可准确预测随机化纳米多孔材料的热导率。最后，我们显示所引入的新紧凑模型可用于马西森定则内，以组合来自不同几何特征的散射，精度约为 10%。