霍尔效应下Si@Ge核壳纳米线热电输运机理及实验研究

在低维热电材料研究领域，通常从改变几何结构或组态出发，提高其热电转换效率。本项目尝试采用第一性原理、晶格动力学与蒙特卡洛法研究Si@Ge核壳半导体纳米线在交变磁场、热场、低电场同时作用下的热电输运机理，探索提高热电品质系数的新方法。由于霍尔效应，洛伦磁力使电子径向动能增大，导致由核材料进入壳材料的电子数量增加，直至实现平衡。改变磁场方向，电子获反向加速，建立新的逆向平衡。由于异质材料电子能带结构不同，界面处双向透射率存在差异，从而可通过控制交变磁场的强度与频率来调节其电导率。同时磁场与声子无直接作用，对热导率影响较小，因而可在热导率基本不变的前提下增大电导率及Seebeck系数，以实现核壳半导体纳米线热电转换效率的提高。

多年来半导体制冷领域的研究主要瓶颈在于热电制冷器件中热臂半导体材料的的电导率与导热系数的正相关性，导致热电换能优值系数不能得到显著提高。.本项目以Si@Ge核壳半导体纳米线研究交变磁场作用下，电导率与导热系数的变化，从而探索热电换能优值系数的新方法。主要研究内容如下：（1）、采用非平衡分子动力学方法(NEMD)，分别对Si@Ge与Ge@Si进行了热输运计算。分别计算了LJ作用势及SW作用势情况下，导热系数的变化。计算表明：随着壳材料厚度的增加，无论采用SW作用势或LJ作用势，导热系数均下降。当0.2<(b-a)/a时，SW作用势计算的结果明显大于LJ作用势的结果，当0.2>(b-a)/a时，两种作用势的计算结果一致。说明两种作用势在计算单一材料时效果接近，但在处理异质材料时有较大差别。主要是由于LJ为两体作用势，SW为三体作用势，当模拟温度较高时，原子振动作用半径增大，需要考虑三个以上原子的相互力学影响，才能与实际接近。（2）分子动力学是根据Boltzmann能量均分定理统计原子温度，进而获取系统的分子动力学温度。然而只有当系统的比热同温度无关即系统的温度高于Debye温度时能量均分定理才成立。因此有研究者认为在模拟温度低于Debye温度时有必要对计算结果进行量子修正。本项目通过第一性原理计算了Si与Ge的色散曲线与热容曲线，根据能量守恒，获得分子动力学模拟的局域温度TMD与真实温度T的的关系即量子修正曲线。计算结果表明通过量子修正并不能明显提高导热系数模拟的准确性。（3）利用蒙特卡洛方法研究了电子在无电场与弱电场作用下，沿界面的透射行为。在计算的物理模型中，界面粗糙度服从高斯分布。电子在粗糙度内发生弹性散射，当垂直界面方向的动能大于势垒时将发生穿越透射行为。在不同温度下，不同电场强度作用下，电子发射率的变化。结果显示：温度T≥400时，发射率经历了一个先增大后减小的过程，T<400K时,发射率随电场强度单调下降。（4）研究霍尔效应下，系统迟豫时间与磁场强度.和频率的关系，控制电子的迁移率与电子-声子散射率。主要计算了交变磁场引起的霍尔效应对电子穿越界面的影响。电子由核材料Si进入壳材料Ge时，由洛伦磁力加速。根据计算，在电场强度为105V/m时，当磁场强度达到102T量级时，电子透射率显著提高。（5）搭建了3ω热反射法测试平台与高频交变磁场发生器的设计。