مطالعۀ رسانش گرمایی نانوسیم های کوانتومی Si و GaAs

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، گروه فیزیک، دانشکدۀ علوم، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران.

2 دانش آموخته کارشناسی ارشد، گروه فیزیک، دانشکدۀ علوم، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران

چکیده

در این مقاله رسانندگی گرمایی در یک دستگاه یک‌بُعدی، شامل نانوسیم‌های نیم‌رسانا با جنس سیلیکن و گالیوم آرسنیک محاسبه و رسم شده است. روش به‌کاررفته حل معادلۀ بولتزمن برای پراکندگی فونونی است. در مواردی که پراکندگی خالص فصل مشترک باشد، رسانندگی هم در نانوسیم سیلیکنی و گالیوم آرسنیکی مقدار بیشتری را نشان می‌دهد. رسانندگی با افزایش قطر نانوسیم افزایش می‌یابد. دو مدل متفاوت برای رسانندگی در این پژوهش بررسی شده است. مدل اول حل معادلۀ بولتزمن و یافتن جواب‌ها با تقریب زمان واهلش است و دیگری حل خودسازگار معادلۀ بولتزمن است. جواب‌ها در این دو حل با هم تلفیق شده‌اند. نتایج نشان می‌دهد که رسانندگی گرمایی در نانوسیم‌های نیم‌رسانای Si و GaAs به ترتیب تقریباً برابر 21/0 و 19/0 مقادیر نظیرشان در سامانه‌های انبوهه کاهش می‌یابد که با داده‌های گزارش‌شده توافق دارد. همچنین، نشان داده شده است که رسانندگی گرمایی نانوسیم گالیوم آرسنیک از مقدار مشابه آن در نانوسیم سیلیکن کمتر و در مقایسه با نتایج تجربی منتشرشدۀ اخیر برای نانوسیم‌های Si متناظر با قطر کمتر، بیشتر و برای نانوسیم‌های با قطر بیشتر، کمتر است که احتمالاً به سبب لحاظ نشدن واپاشی فونون‌های اپتیکی به فونون‌های صوتی و اثر زبری سطح در رسانندگی گرمایی است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Study of Thermal Conductivity of Si and GaAs Quantum Nanowires

نویسندگان [English]

  • Ghassem Ansaripour 1
  • Saeid Emadi Azami 2
1 Associatr Professor, Department of Physics, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran
2 MSc in Physics, Department of Physics, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran
چکیده [English]

Abstract: In this article, the thermal conductivity in one-dimensional devices, including semiconducting nanowires of silicon and gallium arsenide is calculated and plotted. The method used is solving the Boltzmann equation for phonon scattering. In case of purely specular interface scattering, the thermal conductivity is found to be high in silicon and gallium arsenide nanowires. The thermal conductivity increases with increasing nanowire diameter. In this work two different models for thermal conducting have been investigated. The first model solves the Boltzmann equation and finds solutions with the relaxation time approximation, and the other is a self-consistent solution of the Boltzmann equation. The answers in these two solutions are combined. The results show that the thermal conductivity in Si and GaAs semiconductor nanowires is reduced nearly 0.21 and 0.19 than that of bulk devices respectively in agreement to the reported data. It is found that the thermal conductivity of gallium arsenide nanowire is lower than that of silicon nanowire and comparing to recent published data for the corresponding Si nanowires with smaller diameter is overestimated and for larger nanowires diameter is underestimated which could be due to not taking into account the optical phonons decay to acoustic phonons and the effect of surface roughness on the thermal conductivity.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Semiconductor nanowire
  • Thermal conductivity
  • scattering rate
  • Boltzmann equation
[1] Balandin A. and Wang K.L., Significant decrease of the lattice thermal conductivity due to phonon confinement in a free-standing semiconductor quantum well, Physical Review B, 58, 1544 (1998).

[2] Khitun A., Balandin A. and. Wang K.L, Modification of the lattice thermal conductivity in silicon quantum wires due to spatial confinement of acoustic phonons, Superlattices Microstructures, 26, 181-193 (1999).

[3] Ziman J. M., Electrons and Phonons (Oxford University Press, Clarendon, 2001).

[4] Hyldgaard P.and Mahan G. D., Phonon superlattice transport, Physical Review B, 56, 10754 (1997).

[5] Sirvastava G. P., The Physics of Phonons, 1, 1st ed. Taylor & Francis Group, New York, 122-132, 1990.

[6] Emadi Azami S., Thermal conduction in one dimensional semiconductor system, MSc. Thesis, Depaetment of Physics, Faculty of Science, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran, 2017. (in Persian)

[7] Zou J., Balandin A., Phonon heat conduction in a semiconductor nanowire, Journal of Applied Physics, 89, 2934-2938 (2001).

[8] Walkauskas S., Broido D., Kempa K., Reinecke T., Lattice thermal conductivity of wires, Journal of Applied Physics, 85, 2579-2582 (1999).

[9] Chung J. D., G.McGaughey H. A., Kaviani M., Role of phonon dispersion in lattice lhermal conductivity modeling, Journalof Heat Transfer, 126, 376-380 (2004).

[10] Casimir H., Note on the Conduction of heat in crystals, Physica, 5, 495-500 (1938).

[11] Parrott J., Heat conduction mechanisms in semiconducting materials, Revue Internationale Des Hautes Temperatures Et Des Refractaires, 16, 393-403 (1979).

[12] Nishiguchi N., Electron scattering due to confined and extended acoustic phonons in a quantum wire, Physical Review B, 54 1494 (1996).

[13] Bannov N., Aristov V., Mitin V., Stroscio M., Electron relaxation times due to the deformation-potential interaction of electrons with confined acoustic phonons in a free-standing quantum well, Physical Review B, 51, 9930 (1995).

[14] Trommer R., Müller H., Cardona M., Vogl P., Dependence of the phonon spectrum of InP on hydrostatic pressure, Physical Review B, 21, 4869 (1980).

[15] Liu J., X. Wang, D. Li, N.E. Coates, R.A. Segalman, D.G. Cahill, Thermal conductivity and elastic constants of PEDOT: PSS with high electrical conductivity, Macromolecules, 48, 585-591 (2015).

[16] Barman S., Srivastava G., Thermal conductivity of suspended GaAs nanostructures: Theoretical study, Physical Review B, 73, 205308 (2006).

[17] Kim J., Cho D.D., Muller R.S., Why is (111) silicon a better mechanical material for MEMS?, Transducers’ 01 Eurosensors XV, Springer, 662-665 (2001).

[18] Kayali S., GaAs material properties, JPL Publication 96, 25-33 (2006).

[19] Huang M.-J., Chong W.-Y. and Chang T.-M., The lattice thermal conducticity of a semiconductor nanowire, Journal of Applied Physics, 99, 114318 (2006).

[20] Li D., Wu Y., Kim P., Shi L., Yang P. and Majumdar A., Thermal conductivity of individual silicon nanowires, Applied Physics Letters 83, 2934-2938 (2003).

[21] Kazan M., Guisbiers G., Pereira S., Correia M. R., Masri P., Bruyant A., Volz1 S., and Royer P., Thermal conductivity of silicon bulk and nanowires: Effects of isotopic composition, phonon confinement and surface roughness, Journal of Applied Physics, 107, 083503 (2010).

[22] Soini M., Zardo I., Uccelli E., Funk S., Koblmüller G., Fontcuberta A., Morral i, Abstreiter G., Thermal conductivity of GaAs nanowires studied by micro-Raman spectroscopy combined with laser heating, Applied Physics Letters, 97, 263107 (2010).

[23] Guthy C., Nam C.-Y., Fischer J. E., Unusually low thermal conductivity of gallium nitride nanowires, Journal of Applied Physics, 103, 064319 (2008).