Блог

Jul 28, 2023

Определение коэффициента Зеебека, происходящего от фонона

Scientific Reports, том 13, номер статьи: 13463 (2023) Цитировать эту статью 168 Доступ к метрикам Подробности Эффект фононного увлечения полезен для улучшения термоэлектрических характеристик, особенно

Том 13 научных докладов, номер статьи: 13463 (2023) Цитировать эту статью

168 Доступов

Подробности о метриках

Эффект фононного увлечения полезен для улучшения термоэлектрических характеристик, особенно коэффициента Зеебека. Таким образом, были исследованы фононные и электронные транспортные свойства монокристаллов Si при различных плотностях носителей и выяснена связь между этими свойствами и эффектом фононного увлечения. Фононные транспортные свойства определялись методами наноиндентирования и точечно-периодической нагревательной радиационной термометрии. Электронно-транспортные свойства определялись на основании электропроводности Si. Диффузионный коэффициент Зеебека, полученный из свойств электронного транспорта, хорошо согласовался с предыдущими отчетами. Однако значение коэффициента Зеебека фононного увлечения, полученного из свойств переноса фононов, очень мало. Это явление позволяет предположить, что фононы с нормальной длиной свободного пробега (MFP) не способствуют увеличению коэффициента Зеебека; однако фононы с длинным MFP и низкой частотой увеличивают коэффициент Зеебека за счет эффекта фононного увлечения. Более того, эффект фононного увлечения был достаточно выражен даже при 300 К и в сильнолегированной области. Эти особенности являются ключевыми при разработке термоэлектрических материалов с улучшенными характеристиками, обусловленными эффектом фононного увлечения.

С точки зрения сбора энергии фононная инженерия привлекает значительное внимание из-за растущего спроса на материалы с контролируемыми свойствами теплопередачи1,2,3,4,5. Для реализации этой идеи необходим теоретический анализ, а понимание детального механизма переноса фононов является эффективной стратегией развития материалов. В последние годы во многих исследованиях транспорт фононов анализировался посредством моделирования6,7,8, однако не менее важно оценить эти результаты экспериментально.

Для некоторых материалов, использующих тепловую энергию, транспорт электронов также влияет на характеристики материала. В частности, в термоэлектрических конверсионных материалах плотность носителей играет важную роль в транспорте электронов9,10,11. Термоэлектрические материалы генерируют термоэлектрическую энергию, пропорциональную коэффициенту Зеебека, за счет переноса носителей заряда за счет разницы температур. Идеальный термоэлектрический материал обладает как высокой электропроводностью, так и низкой теплопроводностью; однако микроскопически взаимодействие между фононами и носителями сильно влияет на эту проводимость.

Также был проведен теоретический анализ эффекта фононного увлечения для разработки материалов с низкой теплопроводностью и высокой электропроводностью12,13. В общем, фононное увлечение - это явление, часто наблюдаемое в условиях, которые способствуют большой длине свободного пробега фононов (MFP), например, в низкотемпературной среде и в материалах высокой чистоты. Однако сообщалось, что Si и сплавы на его основе демонстрируют относительно высокие коэффициенты Зеебека, обусловленные эффектом фононного увлечения, даже при комнатной температуре14,15,16. Следовательно, для повышения термоэлектрических характеристик необходимо изучить свойства переноса фононов и электронов при различных плотностях носителей и их влияние на эффект фононного увлечения.

В этом исследовании использовались монокристаллы Si с разной степенью легирования фосфором, поскольку кристаллы были идеально ориентированы, не имели границ зерен и плотность носителей можно было легко варьировать. Для оценки свойств переноса фононов мы определили групповые скорости и MFP фононов различных материалов с использованием измерений наноиндентирования и теплопроводности17,18. Влияние на кристаллическую ориентацию монокристаллов Si исследовалось с использованием той же методики19. Следовательно, этот метод можно использовать для оценки транспорта фононов в монокристаллах Si при различных плотностях носителей. Свойства электронного транспорта были получены на основе измерений электропроводности монокристаллов Si. Исследована связь между плотностью носителей и свойствами переноса фононов и электронов. Наконец, явление фононного увлечения было исследовано на основе свойств переноса фононов и электронов. Новаторским открытием этого исследования является то, что фононы с нормальной средней длиной свободного пробега (MFP) не способствуют увеличению коэффициента Зеебека, тогда как фононы с длинным MFP увеличивают коэффициент Зеебека за счет эффекта фононного увлечения. Кроме того, эффект фононного увлечения был достаточно выражен даже при 300 К и в сильнолегированной области. Эти результаты важны для разработки термоэлектрических материалов с улучшенными характеристиками, обусловленными эффектом фононного увлечения.