接头形状对半导体纳米线中弹道声子输运影响的研究

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Feynman关于纳米技术的预言、超晶格的发展以及纳米微粒的成功制备,使纳米技术成为当前物理学科和材料科学的研究热点之一。同时,纳米科学和技术的飞速发展,将光电器件的特征尺寸带入到纳米量级,尺寸效应和爆炸式增长的高密度热量输运,是影响和制约这些器件性能和稳定性的关键问题。因此,纳米尺度热输运性质的研究受到了极大的关注。本文运用散射矩阵方法,对半导体纳米线中弹道声子的输运和热导性质进行了讨论,发现了一些有趣的现象。采用弹性标量模型和散射矩阵方法,研究了低温下通过两种非连续接头连接的半导体纳米线中声学声子的输运和热导性质。研究发现,用突变型接头连接的半导体纳米线中透射系数不规则,出现了尖锐的下降谷;而通过台阶状接头连接的半导体纳米线中声学声子的透射系数曲线则表现为较为规则的量子化平台,并且在某些约化频率处出现了透射系数的垂直上升。当温度趋向于零,且结构为直通道时,总的热导值接近于基本的量子化单元。而在较高温度下,约化热导则随温度线性增加。此外,台阶状接头的存在使得结构中声学声子的热导有了比较大的升高。运用散射矩阵方法,研究了低温下三种连续接头对半导体纳米线中声学声子输运性质的影响。结果表明,接头的形状在左右纳米线宽度都取固定值时对透射系数有着显著的影响。当约化频率趋向于零时,喇叭形接头半导体纳米线中声子的透射系数最大;在低约化频率下,透射系数随着约化频率的增加而增大,且悬链曲线型接头的透射系数最小;三种接头的透射系数在约化频率较大时没有明显的变化规律。声子透射系数与接头形状之间的这种依赖关系主要是由于接头中不同的声子耦合所引起的。低温下,梯形状接头的热导最大,悬链曲线型接头的热导最小;较高温度下则是喇叭形接头的热导最小;随着温度的进一步升高,最大的热导出现在通过梯形状接头连接的半导体纳米线中。与两种非连续接头进行对比得知,高温下,连续接头半导体纳米线中声学声子的热导要大于非连续接头。这些结果表明,选择合适形状的接头在一定程度上可以提高声学声子在半导体纳米线中的热导率。
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