用于实现空前大热电功率因子的纳米结构势阱/势垒工程

本工作通过半经典玻尔兹曼输运理论与模拟，描述一种可带来空前高热电功率因子的新型纳米结构材料设计，其相较最优块体材料功率因子有超过一个数量级的提升。该设计基于特定的晶粒/晶界（势阱/势垒）工程，使得：i）利用势垒实现载流子能量过滤，结合 ii）高于通常的掺杂工作条件以利用高载流子速度与平均自由程，iii）载流子越过势垒后最小的能量弛豫，从而将势垒的高泽贝克系数传播至势阱，且重要的是 iv）形成中间无掺杂（耗尽）区。因此该设计由三区域几何构成，其中高掺杂位于势阱的中心/核内，由无掺杂区将掺杂区与势垒分隔。研究表明，当过滤势垒减轻其引入的电导率降低时势垒最优，而这主要可在过滤过程中势垒无掺杂时实现。另一方面，当势阱通过 i）不允许载流子能量弛豫，且重要的是 ii）减轻高浓度掺杂杂质引起的迁移率降低，来减轻其引入的泽贝克系数降低时，势阱最优。掺杂偏析，在势垒周围形成洁净的无掺杂耗尽区，服务于这一提升势阱中迁移率至声子限制迁移率水平的关键目的。利用量子输运模拟以及半经典蒙特卡洛模拟，我们还验证了重要要素并证实了这一洁净过滤设计。