【摘 要】
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热电材料可以将废热直接转化为电能,是缓解目前各国所面临的能源短缺以及环境污染问题的有效途径之一。硅作为现代微电子和光伏产业的基础元素,具有价格低廉、无毒、含量丰富的特点,是当前高新技术领域的支柱。然而传统的块体硅材料具有较高的本征晶格热导率,也极大地限制了硅在热电领域的广泛应用。因此,如何有效地降低硅材料的热导是目前科研工作者们关注的重点。本文采用DFTB结合NEGF方法系统地探究了几种典型的硅纳
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热电材料可以将废热直接转化为电能,是缓解目前各国所面临的能源短缺以及环境污染问题的有效途径之一。硅作为现代微电子和光伏产业的基础元素,具有价格低廉、无毒、含量丰富的特点,是当前高新技术领域的支柱。然而传统的块体硅材料具有较高的本征晶格热导率,也极大地限制了硅在热电领域的广泛应用。因此,如何有效地降低硅材料的热导是目前科研工作者们关注的重点。本文采用DFTB结合NEGF方法系统地探究了几种典型的硅纳米线的热电转换性质,并讨论了形貌、晶向、核壳结构对纳米线热电性能的影响。研究结果有望为硅基纳米热电材料的设计与开发提供可靠的理论依据,我们的主要研究内容如下:（1）系统地研究了Si24不同晶向纳米线的热电输运性质,研究结果表明沿[010]晶向的Si24纳米线具有优异的热电性能,其ZT值在室温下达到了1.28,是金刚石硅纳米线的2.1倍。这是因为Si24NW-[010]具有优异的电子输运性能,以及更低的声子热导。为了进一步提高纳米线的热电性质,我们系统地探索了硅锗核壳结构对硅纳米线热电性质的影响。研究发现在硅纳米线外层构建Ge壳能很大程度地提高纳米线的热电品质因子,而通过分析纳米线的功率因子和声子热导,我们发现声子热导的降低对其热电品质因子的提升起主导作用。（2）采用了DFTB结合NEGF方法研究了极小直径d-Si NW-[111]、Si34NW、Si46NW的热电性能。计算结果表明Si34NW和Si46NW具有优良的电子输运特性,在室温下Si34NW、Si46NW的Seebeck系数峰值分别到了2.49 m V/k和2.74 m V/k。在对纳米线的声子输运性质的研究中,我们发现具有笼状结构的Si34NW热导率最低,在室温下为0.48 n W/K。基于电子输运和声子输运性质,我们得了这三种类硅纳米线的热电优值ZT,我们发现Si34NW的热电性能最佳,其ZT值在室温下达到了1.5。
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