热导率的理论分析

1）多层热电薄膜热传输的界面效应

多层薄膜热电转换机理研究中最重要的一个参数为热导率，在纳米尺度下，影响多层薄膜热导率的主要是结构缺陷对声子的散射机制，包括层与层之间界面对声子的散射和层内缺陷对声子的散射。

除了传统的解析方法，直接数值模拟技术也被应用于多层薄膜热导率的研究之中。分子动力学（molecular dynamics，MD）方法通过求解有相互作用的各个粒子的运动方程，得到每个粒子空间位置和运动状态随时间的演进状况，从而统计出材料的宏观行为特性。在纳米尺度范围内，作为实验的有效补充手段，MD方法被广泛应用于热传导的研究工作中。

2）多层热电薄膜界面处的电声子耦合效应(www.xing528.com)

对于半导体-金属多层薄膜系统，其热传输特性除了界面效应，还包括电声子耦合效应。众所周知，金属中主要的能量携带载体是电子，而在半导体中对能量转移起主导作用的是声子。当金属-半导体的界面间发生热传输时，电子和声子必然会进行能量传递。金属-半导体结构产生界面热阻的原因有两个，一是金属中的声子与半导体内的声子相互作用；二是金属中的电子与半导体声子之间的相互作用。

为了系统研究金属-半导体多层薄膜界面处的电子和声子耦合效应，本节针对Au／Sb2Te3以及Ag／Sb2Te3多层薄膜的热导率采用双温度模型进行了计算模拟，并与实验测量结果进行了对比，对比结果如图4-18所示。从图4-18中可以看出，双温度模型的模拟结果与实验结果相符，特别是当金属-半导体多层薄膜的厚度比较大的时候，模拟结果和实验结果较为一致。研究表明，金属-半导体多层薄膜系统的界面之间有着较低的耦合因子值，其数值范围一般为1016～1017W·m-3·K-1，因此，从工程应用的角度来讲，通过合理优化金属层的厚度可以有效降低多层薄膜的有效热导率，而不削弱电子的传输能力，进而增强低维热电材料的热电转换优值，提高热电转换效率。

图4-18　多层薄膜双温度模型与实验结果对比