我們提出了一個連續介質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內的電流和熱流。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. 機械加載區域。
圖6. 中心小矩形加載區域內機械載荷誘導的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. 大矩形加載區域內均布載荷誘導的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。
轉自《石墨烯研究》公眾號
