低維度熱電元件最佳化設計與分析

Optimization of Low Dimensional Thermoelectric Device Design and Analysis

吳昭緯(Chao-Wei Wu)

指導教授 ： 吳育任

國立臺灣大學/電機資訊學院/光電工程學研究所/博士(2017年)

https://doi.org/10.6342/NTU201701807

摘要

本論文中，第一章我們會先介紹研究InN/GaN 和 GaAs/AlAs 材料
為基礎之熱電元件效率的動機。在第二章，我們介紹了使用彈性連
續模型和有限差分法建立了模擬計算聲子散射關係的模型。 此外，
我們提出的熱電元件中，波茲曼方程式和馳豫時間估計也被我們應
用於解出不同的電子和聲子散射的機制。本論文的目的是結合了電
子和聲子相關的物理特性來設計一個高效率的熱電元件。 第三章和
第四章的內容為探討在不同低維度下的奈米線結構和超晶格結構，
提供完整的熱電效率分析給元件設計者。
第三章的內容為探討低維度下的奈米線結構之熱電效率分析。本
章中，我們提出了具有粗糙表面且由InN/GaN所組成的核心和外殼
的奈米線作為有潛力的熱電元件。 核心和外殼材料在此奈米線中分
別是InN和GaN。當和InN和GaN塊狀半導體比較的時候，奈米線的
聲子侷限效應可以讓晶格熱傳導率降低。再者，在奈米線上，故意
製作粗糙的表面使得晶格熱傳導率降得更低，但因為表面費米釘效
應，此粗糙的表面並不會影響電子的導電特性。 電導率，斯貝克係
數，電熱傳導率和晶格熱傳導率都在本論文中用來計算評估此粗糙
表面之InN和GaN奈米線的熱電效率。
第四章的內容為探討低維度下的超晶格結構之熱電效率分析。在本章中，我們採用了兩個晶格常數接近的GaAs和AlAs作為超晶格奈
米結構材料。 和個別的材料比較之下，傳統的超晶格顯示了晶格熱
傳導率可以被降低。 然而，我們覺得設計一個優良的熱電元件這樣
還不夠。因此，不同於傳統的超晶格結構，我們提出了使用粗糙表
面之GaAs和AlAs奈米脊超晶格架構來進一步降低晶格熱傳導率。 有
了此奈米脊的特性，超晶格架構之表面可以故意製作粗糙，用以探
討粗糙程度對於超晶格之晶格熱傳導率的影響。 藉由在此奈米脊
中，在不影響電子的移動率，且能讓聲子遭受到此粗糙表面的影響
下，適當的選擇表面粗糙的程度，我們可以得到更低的晶格熱傳導
率。 熱電轉換效率也在此粗糙的奈米脊超晶格結構中被評估。
最後，我們對於我們的模擬設計結果做一總結，並對未來提出相
關的研發工作。

關鍵字

熱電 ； 奈米線 ； 超晶格 ； 最佳化

並列摘要

In thisdissertation,wepresentthemotivationofinvestigatingthether-
moelectric(TE) propertiesofthedevicesbasedonInN/GaNandGaAs/AlAs
materials inChapter1.InChapter2,weintroducethesimulationalgorithm
established usingtheelasticcontinuummodelandfinitedifferencemeth-
ods forstudyingthephonondispersionrelation.Inaddition,theBoltz-
mann transportequationsandrelaxationtimeapproximationareapplied
for solvingthedifferentelectronandphononscatteringmechanismsin
our proposedTEdevice.Thepurposeofthisdissertationistocombine
the electronandphononrelatedphysicalcharacteristicsfordesigninga
high performanceTEdevice.InChapter3and4,weexplorethelowdi-
mensional nanowire(NW)andsupperlattice(SL)structuresforprovidinga
complete analysisofTEconversionefficiencytothedevicedesigner.
In Chapter3,weproposetheroughInN/GaNcore-shellNWsasapo-
tential candidateofTEdevices.Thecoreandshellmaterialsconsideredin
the NWsareInNandGaN,respectively.Wefoundthatthephononcon-
finement effectsoftheNWswouldlowerthelatticethermalconductivity
when comparedtothebulkInNandGaNmaterials.Moreover,thesurface
of theNWswasintentionallyroughenedforreducingthethermalconductivity considerably;however,theelectricalconductivitywasmaintained
owningtothesurfacefermilevelpinningeffects.Theelectricalconductiv-
ity,Seebeckcoefficient,andelectronicthermalconductivityarecalculated
and discussedaswellforevaluatingtheperformanceoftheroughsurface
of theInN/GaNNWs.
In Chapter4,westudythelowdimensionalSLstructuresasaTEde-
vice. WeconsiderthenearlylatticematchedGaAsandAlAsmaterialsas
SL structures.ThetraditionalSLsshowedthatlatticethermalconductiv-
ity couldbereducedwhencomparedtoindividualconstituentmaterials.
Nonetheless, weperceivethatitwasnotsufficientfordesigningapromi-
nent TEdevice.Therefore,differentfromthetraditionalGaAs/AlAsSL
structures, weproposedtheroughsurfaceofthenano-ridgeGaAs/AlAs
SLs forfurtherreducingthelatticethermalconductivity.Withtheaidof
the nano-ridgefeature,thesurfaceoftheSLstructurescouldbeinten-
tionally roughenedforexploringthesurfaceroughnesseffectsoftheSL
structures. Byselectingasuitabledegreeofroughnessforthenano-ridge
SL structuresurface,wecanobtainconsiderablylowerlatticethermalcon-
ductivitywithoutreducingtheelectronmobility.Theperformanceofthe
rough nano-ridgeSLstructureisevaluated.
Finally,weconcludewithoursimulationresultsandproposesomefu-ture studies.

並列關鍵字

Thermoelectric ； Nanowire ； Superlattice ； Optimization

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