不同周期结构硅锗超晶格导热性能研究*

刘英光 郝将帅 任国梁 张静文

(华北电力大学能源动力与机械工程学院, 保定 071003)

构造了均匀、梯度、随机3 种不同周期分布的硅/锗(Si/Ge)超晶格结构.采用非平衡分子动力学(NEMD)方法模拟了硅/锗超晶格在3 种不同周期分布下的热导率, 并研究了样本总长度和温度对热导率的影响.模拟结果表明: 梯度和随机周期Si/Ge 超晶格的热导率明显低于均匀周期结构超晶格; 在不同的周期结构下,声子分别以波动和粒子性质输运为主; 均匀周期超晶格热导率具有显著的尺寸效应和温度效应, 而梯度、随机周期Si/Ge 超晶格的热导率对样本总长度和温度的依赖性较小.

1 引 言

目前, 人类对能源的利用效率较低, 很大一部分能源以废热的形式被浪费掉.热电技术能够将废热直接转换成电能, 促进废热的二次利用, 是提高能源利用效率的有效手段[1−5].热电材料的热电效率由无量纲优值 Z T=(S2σT)/κ来评估, 其中,S是塞贝克系数,σ是电导率,κ是热导率,T是绝对温度.为了提高材料的热电优值, 需要在保持电导率和塞贝克系数的不变的情况下, 降低热导率的值[6].在过去几十年中, 基于增加声子散射, 减小声子平均自由程的材料纳米化是增加材料热电优值的有效途径.超晶格(superlattice)材料是由相同或不同的材料周期性交替排列构建的纳米结构材料, 由于其超低热导率, 被认为是热电领域优秀的候选材料.更重要的是, 由于半导体超晶格材料可以控制其周期长度进而控制声子的散射机……