局域声子共振解耦半导体热学与电学性质
介观与纳米尺度物理
2023-12-19 v1
摘要
热电材料通过固体中热驱动电荷输运将热转化为电，或反之用于制冷。要与常规发电技术竞争，热电材料必须同时具备导电体与热绝缘体的性质。然而，由于载流子与声子的散射机制相互关联，这些性质通常不可兼得。近期亚器件尺度的理论研究表明，覆盖纳米柱的硅膜呈现出跨越全谱的多种局域声子共振，它们与膜中传热声子耦合并共同导致面内热导率降低——而原则上不影响电学性质，因为纳米柱位于电压产生与电荷输运路径之外。本文通过研究表面生长GaN纳米柱的器件级悬浮硅膜，首次在实验上演示了该效应。纳米柱使热导率降低多达21%，而电导率与Seebeck系数保持不变，从而展示了半导体热电性质前所未有的解耦。对于聚并纳米柱所测得的热导率行为及相应的晶格动力学计算进一步证明，该降低在机理上源于声子共振。这一发现打破了热电领域中竞争性质间长期存在的权衡，为设计高效固态能量回收与制冷开辟了道路。
引用
@article{arxiv.2301.04769,
title = {Semiconductor thermal and electrical properties decoupled by localized phonon resonances},
author = {Bryan T. Spann and Joel C. Weber and Matt D. Brubaker and Todd E. Harvey and Lina Yang and Hossein Honarvar and Chia-Nien Tsai and Andrew C. Treglia and M. Lee and Mahmoud I. Hussein and Kris A. Bertness},
journal= {arXiv preprint arXiv:2301.04769},
year = {2023}
}