基于二维量子输运模拟的纳米复合材料热电功率因子

纳米复合材料是下一代热电材料的 promising 候选者，因为它们由于各材料相边界上的声子散射而表现出极低的热导率。然而，纳米夹杂不应降低热电功率因子，理想情况下还应提高其数值，从而实现对 ZT 优值的增益。本工作中，我们采用非平衡格林函数（NEGF）量子输运方法来计算嵌入纳米夹杂的材料的电子与热电系数。为计算效率起见，我们考虑二维纳米带几何结构，但该方法包含了几何细节、电子-声子相互作用、量子化、隧穿以及从弹道到扩散的输运性质，全部统一于一种方法中。这使其成为一种方便且准确的理解纳米材料中电子与热电输运的途径，超越半经典近似，也超越处理几何复杂性的各类近似。我们表明，基体材料中的纳米夹杂仅提供微弱的能量过滤机会，相较于超晶格显著更低，因此仅带来中等的功率因子改善。然而，我们描述了如何优化此类纳米复合材料以限制热电功率因子的退化，并详述了实现上述温和改善的条件。重要的是，我们表明在某些条件下，功率因子与纳米夹杂密度无关，这意味着具有大纳米夹杂密度、从而提供极低热导率的材料，也能保持大功率因子并产生大的 ZT 优值。