低維度熱電元件最佳化設計與分析

Abstract

本論文中，第一章我們會先介紹研究InN/GaN 和 GaAs/AlAs 材料 為基礎之熱電元件效率的動機。在第二章，我們介紹了使用彈性連 續模型和有限差分法建立了模擬計算聲子散射關係的模型。 此外， 我們提出的熱電元件中，波茲曼方程式和馳豫時間估計也被我們應 用於解出不同的電子和聲子散射的機制。本論文的目的是結合了電 子和聲子相關的物理特性來設計一個高效率的熱電元件。 第三章和 第四章的內容為探討在不同低維度下的奈米線結構和超晶格結構， 提供完整的熱電效率分析給元件設計者。 第三章的內容為探討低維度下的奈米線結構之熱電效率分析。本 章中，我們提出了具有粗糙表面且由InN/GaN所組成的核心和外殼 的奈米線作為有潛力的熱電元件。 核心和外殼材料在此奈米線中分 別是InN和GaN。當和InN和GaN塊狀半導體比較的時候，奈米線的 聲子侷限效應可以讓晶格熱傳導率降低。再者，在奈米線上，故意 製作粗糙的表面使得晶格熱傳導率降得更低，但因為表面費米釘效 應，此粗糙的表面並不會影響電子的導電特性。 電導率，斯貝克係 數，電熱傳導率和晶格熱傳導率都在本論文中用來計算評估此粗糙 表面之InN和GaN奈米線的熱電效率。 第四章的內容為探討低維度下的超晶格結構之熱電效率分析。在本章中，我們採用了兩個晶格常數接近的GaAs和AlAs作為超晶格奈 米結構材料。 和個別的材料比較之下，傳統的超晶格顯示了晶格熱 傳導率可以被降低。 然而，我們覺得設計一個優良的熱電元件這樣 還不夠。因此，不同於傳統的超晶格結構，我們提出了使用粗糙表 面之GaAs和AlAs奈米脊超晶格架構來進一步降低晶格熱傳導率。 有 了此奈米脊的特性，超晶格架構之表面可以故意製作粗糙，用以探 討粗糙程度對於超晶格之晶格熱傳導率的影響。 藉由在此奈米脊 中，在不影響電子的移動率，且能讓聲子遭受到此粗糙表面的影響 下，適當的選擇表面粗糙的程度，我們可以得到更低的晶格熱傳導 率。 熱電轉換效率也在此粗糙的奈米脊超晶格結構中被評估。 最後，我們對於我們的模擬設計結果做一總結，並對未來提出相 關的研發工作。

In thisdissertation,wepresentthemotivationofinvestigatingthether- moelectric(TE) propertiesofthedevicesbasedonInN/GaNandGaAs/AlAs materials inChapter1.InChapter2,weintroducethesimulationalgorithm established usingtheelasticcontinuummodelandfinitedifferencemeth- ods forstudyingthephonondispersionrelation.Inaddition,theBoltz- mann transportequationsandrelaxationtimeapproximationareapplied for solvingthedifferentelectronandphononscatteringmechanismsin our proposedTEdevice.Thepurposeofthisdissertationistocombine the electronandphononrelatedphysicalcharacteristicsfordesigninga high performanceTEdevice.InChapter3and4,weexplorethelowdi- mensional nanowire(NW)andsupperlattice(SL)structuresforprovidinga complete analysisofTEconversionefficiencytothedevicedesigner. In Chapter3,weproposetheroughInN/GaNcore-shellNWsasapo- tential candidateofTEdevices.Thecoreandshellmaterialsconsideredin the NWsareInNandGaN,respectively.Wefoundthatthephononcon- finement effectsoftheNWswouldlowerthelatticethermalconductivity when comparedtothebulkInNandGaNmaterials.Moreover,thesurface of theNWswasintentionallyroughenedforreducingthethermalconductivity considerably;however,theelectricalconductivitywasmaintained owningtothesurfacefermilevelpinningeffects.Theelectricalconductiv- ity,Seebeckcoefficient,andelectronicthermalconductivityarecalculated and discussedaswellforevaluatingtheperformanceoftheroughsurface of theInN/GaNNWs. In Chapter4,westudythelowdimensionalSLstructuresasaTEde- vice. WeconsiderthenearlylatticematchedGaAsandAlAsmaterialsas SL structures.ThetraditionalSLsshowedthatlatticethermalconductiv- ity couldbereducedwhencomparedtoindividualconstituentmaterials. Nonetheless, weperceivethatitwasnotsufficientfordesigningapromi- nent TEdevice.Therefore,differentfromthetraditionalGaAs/AlAsSL structures, weproposedtheroughsurfaceofthenano-ridgeGaAs/AlAs SLs forfurtherreducingthelatticethermalconductivity.Withtheaidof the nano-ridgefeature,thesurfaceoftheSLstructurescouldbeinten- tionally roughenedforexploringthesurfaceroughnesseffectsoftheSL structures. Byselectingasuitabledegreeofroughnessforthenano-ridge SL structuresurface,wecanobtainconsiderablylowerlatticethermalcon- ductivitywithoutreducingtheelectronmobility.Theperformanceofthe rough nano-ridgeSLstructureisevaluated. Finally,weconcludewithoursimulationresultsandproposesomefu-ture studies.