我們提出了一個連續(xù)介質(zhì)理論來分析壓電半導體中熱電場和機械場之間的相互作用。在參考構型中給出了平衡規(guī)律和耗散不等式。通過引入廣義菲克定律，導出了包括漂移擴散電流、熱通量傅立葉定律、塞貝克效應和珀爾帖效應在內(nèi)的熱力學一致本構方程。結合能量平衡和第二吉布斯關系，導出了半導體效應下的熱傳導方程和焦耳熱的產(chǎn)生。該框架在幾何上線性化，適用于小變形的晶體。基于新建立的框架，確定了6mm級晶體中熱電場和機械場之間的兩種新的耦合機制。1)機械載荷可以通過機械感應勢阱阻擋載荷區(qū)內(nèi)的電流和熱流。在1%的應變水平下，電流和熱流可以減少多達80%。這種效應有利于設計新的開關器件。2)令人驚訝的是，機械載荷可以通過感應勢壘充當電流放大器。此外，利用焦耳熱可以產(chǎn)生熱偶極子，這表明機械載荷可以導致局部制冷。通過一個簡單的數(shù)值模型，我們證明了在1%左右的應變水平下，機械變形可以產(chǎn)生0.06 K的溫差。在新的制冷機制的基礎上，我們進一步提出了一種新型多級金字塔形級聯(lián)制冷裝置。本文的框架為分析半導體結構中的多物理場問題提供了基礎，也為開關和制冷器件提供了潛在的思路。由于該框架是基于有限變形理論，將有助于分析新興柔性半導體材料的行為或開發(fā)相應的計算方法。
圖1. 由掃描探針施加在壓電薄膜上的機械力。
圖2. 機械加載區(qū)周圍的電勢和電流。(a)電勢。(b)電流。
圖3. 熱-電-彈性半導體的參考構型(B
0)和當前構型(B
t)。
圖4. 一種熱電Mindlin板(c軸沿板厚
X3方向)。
圖5. 機械加載區(qū)域。
圖6. 中心小矩形加載區(qū)域內(nèi)機械載荷誘導的ZnO板中的場分布。(a)靜電勢。(b)溫度變化。(c)電流密度。(d)熱流密度。
圖7. 大矩形加載區(qū)域內(nèi)均布載荷誘導的ZnO板中的場分布。(a)靜電勢。(b)溫度變化。(c)電流密度。(d)熱流密度。
圖8. 不同機械載荷大小(a)和不同機械載荷區(qū)域(寬度)(b)沿截面
X1 =0.5
a1的電流大小。
圖9. 電流和熱流與(a)不同大小的機械載荷、(b)不同寬度的機械加載區(qū)域的關系。
圖10. 當
a0 = 90 nm,
b0 = 30 nm時，反向機械載荷,誘導ZnO板中的場分布。(a)靜電勢。(b)溫度變化。(c)電流密度。(d)熱流密度。
圖11. 體熱源分布。
圖12. 最大溫差θ與機械載荷的大小的關系。
圖13. 三級熱電級聯(lián)示意圖，第一層在上，第三層在下。
相關研究成果由西安交通大學機械結構強度與振動國家重點實驗室、京都大學機械工程與科學系Yilin Qu等人于2023年發(fā)表在International Journal of Engineering Science (https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2022.103775 )上。原文：Modeling thermoelectric effects in piezoelectric semiconductors: New fully coupled mechanisms for mechanically manipulated heat flux and refrigeration。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
