硅纳米材料中声子输运的蒙特卡洛模拟

在纳米结构中，声子输运行为明显不同于块体材料中的输运，从而可实现具有极低热导率和增强热电性能的材料。在包含分级尺寸夹杂与孔隙的纳米晶材料中已实现了低热导率。纳米多孔结构呈现出一组有前景的材料特性与结构，可实现极低热导率，甚至低于非晶极限。本文中，我们概述了一个用于研究声子输运的半经典蒙特卡洛代码，并展示了对纳米多孔与纳米晶硅中热导率的探究。我们纳入了不同的无序几何构型，以研究孔隙与晶界对声子通量及热导率的影响，包括边界粗糙度、孔隙位置和孔径的效应。在恒定孔隙率下，与少量大直径孔隙相比，大量小直径孔隙使热导率降低最大化。此外，我们表明孔隙率对热导率的影响大于边界粗糙度的程度。我们的模拟器在原始硅沟道与纳米多孔结构的多项模拟与实验工作中均得到了验证。