纳米线异质结构对电子制冷机性能的影响

　　1. 引 言

　　电子制冷技术是通过电子传输过程中携带热量来实现制冷的. 与传统的依靠介质的液态、气态变化或化学变化来实现制冷的技术相比，电子制冷机具有高可靠性、长寿命、无运动部件和无污染性等优点. Shakouri 和 Bowers 提出了使用半导体异质结来降低势垒的高度[1]，Mahan 等人建议使用多层势垒来减少声子热漏[2，3]，Humphrey 等人发现在电子限制在非常窄的能量范围内传输的低维导体中，电子能量转换的效率接近卡诺效率[4—6]. Dwyer 等人研究了纳米线异质结材料中的势垒和势阱对电子传输导致的电流、热流及效率等参数的影响[7—10]，从理论上预言:在低温情况下，含有双势垒共振遂穿过滤器结构的一维导体中热电子效率接近卡诺极限. 实验观察到:在给定势垒和势阱宽度相等且约为 7 nm 的情况下，InAs/InP 双势垒纳米线异质结在低于 10 K 的低温情况下，单个纳米线热电子能量转换器的效率接近卡诺效率，这是因为在一维导体中电子被限制在很窄的能量范围 ( kTC≈0. 1 meV) 内传输，并且低温情况下电子和声子之间的热传导被抑制[7]. 在纳米结构热电器件中电子的效率可以通过两种方法来提高，一是减小电子能谱的宽度，二是提高能谱的尖锐度，但是前者会造热电器件功率的减小，而后者则不会;提高能谱的尖锐度可以 通过构造 多层窄势垒纳米结构来实现[8]. 我们在这方面也做了一些理论研究[11—14]，如在双势垒 InAs/InP 纳米线结构热电制冷机中，势阱宽度一定势垒宽度变大时共振中心能级的位置变大，共振能级宽度变小，同一偏压对应的制冷率变小，制冷系数变大[14]. 近年来，纳米结构块体合金[15]、100 nm 以下纳米线[16]等热电材料在实验上的成功，纳米结构和超晶格热电材料的热电特性的理论研究[17，18]，以及热电器件在热电产生、制冷、制热等领域应用越来越受到广泛关注[19].

　　本文在前人工作基础上，提出了一种可微调的三势垒纳米线结构对电子传输和电子制冷机性能所带来的影响，其目的是为了优化纳米线结构. 图 1为三势垒纳米线异质结热电子制冷机示意图，它由两个具有不同温度和不同化学势的热库和中间的纳米线异质结组成. 热库中的电子通过纳米线异质结“能量过滤体”进行传输，电子从低温热库吸收热量，并释放热量到高温热库，从而达到制冷目的. 中间的纳米线异质结由一个三势垒和两势阱异质结组成，势阱宽度为 dW，势垒宽度为 dB，高度为;中间势垒的宽度为 dM，高度为M，中间势垒宽度和高度依赖于不同的材料而不同. 高低温热库的温度分别为 TH和 TC，相应的化学势为μH和 μC. 在左边低温热库加“ + ”电压，右边高温热库加“ - ”电压，电压大小为 Vbias，下面在数值计算中μ取定一个值，μH随偏压变化为μH= μH0+ eVbias，μH的初始值μH0= 0. 18 eV(即偏压为 0 时).