电声耦合对半导体电学和热学性质影响的研究

作     者：周文江 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘德欢

授予年度：2022年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：第一性原理计算 玻尔兹曼方程 电声耦合 β-SnSe 黑磷烯 电输运 热输运 

摘      要：近年来,单晶硒化亚锡拥有极高的热电转换效率,二维材料黑磷烯具有优异的电学性质,吸引了广泛关注。本文基于密度泛函理论,通过求解玻尔兹曼方程,研究了高温相硒化亚锡(β-SnSe)电和热输运性质,以及磷烯电输运性质。研究内容如下:研究了β-SnSe在电声耦合作用下的电输运性质。使用有限温度方法,去除基于传统第一性原理方法计算β-SnSe时产生的声子虚频,得到准确的电声耦合矩阵元和散射率。结果表明,谷间散射会增强电声散射率,尤其是对于声学声子参与的过程。由于能带非抛物性等因素影响,β-SnSe在不同晶格方向的迁移率与温度关系在T到T之间,其下降速率快于经典的T关系。此外,自由程(Mean free paths,MFPs)在2～10 nm之间的载流子对功率因子起主要贡献作用。研究了电声耦合、三声子以及高阶四声子散射对β-SnSe声子热输运的影响。结果表明,四声子与三声子散射率相当,电声散射可以忽略不计。考虑四声子后,预测声子热导率下降18%～49%,与实验测量更吻合。此外,MFPs在100 nm以下的声子对传热起主要贡献作用,当纳米化SnSe的晶界尺寸减小到10 nm时,这能够减小声子热导率,且几乎不会牺牲电输运性质,从而能增强热电转换效率。研究了磷烯在电声耦合作用下的空穴输运性质。分析表明,面外声学(ZA)声子对其输运有着重要影响,当忽略频率在0.02 cm以下的声子散射时,ZA声子的散射率下降约4个数量级,迁移率增加约14倍。本文对β-SnSe电和热输运的研究为增强其热电性能提供了参考,对磷烯电声散射的研究促进了对其电子输运的理解。