Bi2Te3基纳米线热电性能优化的理论研究

摘要

热电材料主要是利用固体内部载流子运动来实现热能和电能的相互转换，具有无毒、无污染、有效工作周期长等优点，可制备成重量轻、体积小的微型半导体制冷器件，主要应用于计算机技术、航天技术、超导技术及微电子技术等领域，具有良好的应用前景。
　　Bi2Te3材料在常温附近具有相对优良的热电性能，以及高度各向异性的能带结构，是当前低维热电材料研究领域的热点，其理论研究也在不断的发展和完善。本文在现有的Bi2Te3纳米线理论计算研究的基础上，通过求解玻尔兹曼方程，建立能带结构、弛豫时间与ZT值间的联系，综合分析矩形纳米线尺寸、掺杂浓度以及温度对Bi2Te3热电材料 ZT值的影响。结果表明：在建立弛豫时间与 ZT值关系后，由于量子尺寸效应产生能级离散化，Bi2Te3纳米线 ZT值会随着边长尺寸、掺杂浓度以及温度的变化而发生阶跃振荡变化；文中所研究分析的四类Bi2Te3矩形纳米线中，当边长尺寸为ax=6.5nm和 az=5.3nm、掺杂浓度 n=4.4×1018cm-3及温度 T=300K时，[110]方向的p型Bi2Te3纳米线的热电性能最佳，其ZT值为65.3。
　　为了进一步验证上述计算分析，拓展Bi2Te3纳米线热电性能的理论研究方向，本文进一步利用Atomistix Toolkit(ATK)软件模拟和设计掺杂的Bi2Te3基纳米线，通过第一性原理计算、一维玻尔兹曼传输理论（BTE）和分子动力模拟分析研究掺杂纳米线的结构、电子特性以及热电性能。

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第1章 绪 论

1.1 课题开展的目的和意义

1.2 热电材料研究历史

1.3 热电基础理论

1.3.1 Seebeck效应

1.3.2 Peltier效应

1.3.3 Thomson效应

1.3.4 热电器件工作原理

1.3.5 与热电材料参数相关的固体理论

1.4 热电材料的研究现状

1.4.1 主要热电材料体系

1.4.2 热电材料研究和应用瓶颈

1.4.3 热电材料低维化

1.5 本课题主要研究内容

参考文献

第2章 量子尺寸效应下的Bi2Te3纳米线热电性能理论研究

2.1 引 言

2.2 模型说明

2.3 计算结果与分析

2.3.1 Bi2Te3正方形纳米线边长变化对ZT值的影响

2.3.2 Bi2Te3矩形纳米线尺寸变化对ZT值的影响

2.3.3 Bi2Te3矩形纳米线掺杂浓度对ZT值的影响

2.3.4 Bi2Te3矩形纳米线温度对ZT值的影响

2.4 结论

参考文献

第3章 Bi2Te3基纳米线热电性能模拟分析

3.1 引 言

3.2 模型说明

3.3 模型计算

3.4 结果与讨论

参考文献

第4章 总结与展望

4.1 总结

4.2 展望

在读期间发表的论文及其他研究成果

致谢