SiGe纳米材料热电性质的紧束缚势理论研究

Optimizing the thermoelectric properties of low dimensional nano-system through cooperative tuning of electron and phonon transport properties is a research focus in the area of thermoelectric material. SiGe nanowires is regarded as one of the most prospective thermoelectric material for applications, due to its excellent properties such as low thermal conductivity, high concentration of carriers etc. However, the present experiments have not yet given a complete and reliable solution about how to realize the best cooperative tuning of electron and phonon transport properties. Therefore, it is very meaningful to carry out the study of electron and phonon transport properties.in SiGe nanowires and this will be helpful to the future experimental studies. In this project, we will perform a systematic study on the thermoelectric properties of SiGe nanowires based on tight-binding model combined with Non-Equilibrium Green Function transport theory. The electric and thermal conduction as well as the Seebeck coefficient of SiGe nanowires will be studied, through altering the Si or Ge concentration, radius of core and shell, vacancy concentration on the surface of nanowires and the growth direction. Finally, we will obtain the variation law of electron and phonon transport properties along with these conditions and thus provide the experiments with important theoretical basis on how to improve the thermoelectric performance of SiGe nanowires through realizing the best cooperative tuning of electron and phonon transport properties.

在低维纳米体系中实现电、声输运特性的协同调控从而优化热电性能是当前热电材料领域的一个重要研究方向。SiGe纳米线以其热导率低、载流子浓度高等优良特性而被视为未来最有应用前景的热电材料之一。然而目前实验上对于如何实现电、声输运特性的最优协同调控仍未能给出一个十分完整且可靠的方案。因此，开展SiGe纳米线中电子、声子输运特性的机理研究对于相关的实验研究具有十分重要的指导意义。本项目将以SiGe纳米线为研究对象，以SiGe紧束缚势模型结合非平衡态格林函数输运理论为研究手段，系统研究其热电性能。通过改变纳米线中Si或Ge的浓度、核与壳的半径、纳米线表面的空位浓度以及生长方向等条件，研究纳米线中电子电导、电子和声子热导以及Seebeck系数。最终得到纳米线中电声输运特性随着这些条件的变化规律，从而为实验上通过实现电、声输运特性的最优协同调控来提高材料的热电性能提供重要的理论指导。

在一维纳米线体系中实现电、声输运特性的协同调控进而优化热电性能是当前热电材料领域的一个重要研究方向。SiGe纳米线以其热导率低、载流子浓度高并可形成连续固溶体等优良特性而被视为未来最有应用前景的热电材料之一。然而目前实验上对于如何实现电、声输运特性的最优协同调控很难给出一个完整且可靠的方案。鉴于紧束缚势模型(tight-binding, TB)的优势：即可描述体系的电子结构，又可对包含几万个原子的大体系进行高效快速模拟，我们开展了SiGe纳米线体系热电性质的紧束缚势理论研究。本项目的核心和难点即是SiGe紧束缚势模型的构建。截止项目结题，我们的工作主要集中在几种不同势模型参数的拟合和SiGe二元体系性质的测试。目前发展的SiGe TB模型能够很好地描述SiGe二元体系的能带结构和声子振动性质，同时对体系中几种典型本征点缺陷的相对稳定性以及Ge原子在Si(111)和(100)重构表面的吸附行为进行较为精确地预测。通过与分子动力学相结合对低Ge浓度SixGe1-x合金热力学性质的研究表明此模型还可用于研究有限温度下SiGe体系的物理性质。但是在采用蒙特卡洛方法考察Si-Ge键数目较多的合金体系过程中，我们发现模型对总能的描述有问题，主要是由Si势模型中的有效配位问题所导致。于是项目组利用与Ge势模型中相同的势函数重新构建Si的势模型，目前的拟合参数对能带结构的描述较准确，但是对总能的描述还需要较大的提升。为了提升参数拟合效率，项目组设计了强化学习网络算法，测试表明其参数拟合效率远高于人工水平。此外，项目组利用格林函数方法与TB势模型相结合对Si纳米线的电输运性质进行研究，从理论上澄清了纳米线尺寸、表面无序度以及体系本征缺陷对纳米线电导率的影响。希望理论模拟结果能够为实验上研究和探索纳米线体系电输运和热电性质提供有价值的参考。