基于金属半导体超晶格热离子发射制冷器微尺度热输运问题的理论和实验研究

Thermionic refrigerator based on metal-semiconductor superlattices can improve the figure of merit potentially by hot electron filter, and have a wide range of applications in thermal management and energy conversion. The present project will investigate the interfacial thermal conductance of electron and phonon between Al and GaN, as well as the effects of inelastic scattering to interfacial thermal resistance. In addition, by calculating the thermal conductivity of Si/Ge superlattice, we will build a relation between the superlattice period length and the phonon group velocity and mean free path. We will also measure the thermal conductivity of TiN/GaN using TDTR technique based on femtosecond laser. Compared with the existing literature, the present project considers the electron-phonon coupling and the inelastic scattering effects, and can give a detail contribution of phonon with different frequency and wavelengths to thermal conduction. These investigations will provide guidance to the design and optimization of thermionic refrigerator based on metal-semiconductor superlattices.

金属半导体超晶格热离子发射制冷器通过热电子过滤原理可以潜在地提高固态制冷器的性能系数，在热管理和能源转化方面具有广泛的应用前景。本项目将结合理论分析和实验测试，探讨金属半导体Al/GaN界面，电子、声子对界面热传递的贡献，以及声子非弹性散射对界面热阻的影响。另外，通过对Si/Ge超晶格结构热导率的理论计算，本项目将给出超晶格周期长度与声子群速度和声子平均自由程的关系。本项目还将使用飞秒激光TDTR技术对金属基氮化物超晶格TiN/GaN结构的热导率进行测量。同已有文献相比，本项目考虑了电子—声子耦合效应，并能单独定量分析非弹性声子散射对界面热阻的影响，可以在原子尺度分析不同频率、不同波长声子对热导率的贡献。这些研究工作将为金属半导体超晶格热离子发射制冷器的设计和优化提供指导作用。

超晶格热离子发射器件在高功率密度散热、能源利用等方面具有重要应用前景。本项目主要围绕与超晶格热离子发射制冷器相关的热输运特性和调控进行相关理论和实验研究。发现室温下氮化镓晶体沿c轴方向的热导率要比垂直于c轴方向的热导率高25%，并提出采用计算声子辐射热流的方法比传统依靠声子色散关系的方法预测晶体热导率各向异性更可靠。采用理论和实验相结合的方法研究了金属铝与氮化镓之间的界面热阻，发现在基底尺寸较小时界面热阻存在明显的尺寸效应。根据生物组织结构的多级性特点，提出了一种包含多种周期长度的多级超晶格结构，并使用理论方法验证了这种结构的热导要比传统超晶格低15~29%，该结构对减小热离子发射制冷器的热量逆流和提高器件效率具有重要意义。本项目还提出了一种计算大尺度原胞声子色散关系的晶格动力学方法，并使用该方法对二维和三维硅声子晶体的色散和散射进行了研究，定量地计算了表面周期硅柱引起的声子共振散射和参与率。以碳材料为研究模型，定量计算了非简谐相互作用对声子非弹性散射强度的影响，并获得了晶格热导率对声子平均自由程的累积函数，该方法可以推广到其他研究对象，定量评价声子尺寸效应对热导率的减小程度。本项目还提出了一种根据材料弹性张量评价声子群速度的简单方法，建立了材料力学特性和传热特性的对应关系。以上这些研究结果对高性能热离子器件的设计制造具有重要指导作用。