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Jul 28, 2023

포논에서 발생하는 Seebeck 계수 결정

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13463(2023) 이 기사 인용 168 측정 항목 세부 정보 액세스 포논 드래그 효과는 열전 성능, 특히 열전 성능을 향상시키는 데 유용합니다.

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13463(2023) 이 기사 인용

168 액세스

측정항목 세부정보

포논 드래그 효과는 열전 성능, 특히 제벡 계수를 향상시키는 데 유용합니다. 따라서 다양한 캐리어 밀도에서 Si 단결정의 포논 및 전자 수송 특성을 조사하고 이러한 특성과 포논-항력 효과 사이의 관계를 명확히 했습니다. 포논 수송 특성은 나노압입 및 스팟 주기 가열 복사 온도 측정법을 사용하여 결정되었습니다. 전자 수송 특성은 Si의 전기 전도도를 기준으로 결정되었습니다. 전자 수송 특성에서 파생된 확산성 Seebeck 계수는 이전 보고서와 잘 일치했습니다. 그러나 포논 전달 특성에서 파생된 포논 드래그 제벡 계수의 값은 매우 낮습니다. 이 현상은 정상적인 평균 자유 경로(MFP)를 갖는 포논이 Seebeck 계수의 증가에 기여하지 않음을 시사합니다. 그러나 MFP가 길고 주파수가 낮은 포논은 포논 드래그 효과를 통해 Seebeck 계수를 증가시킵니다. 더욱이 포논 드래그 효과는 300K와 고농도 도핑 영역에서도 충분히 뚜렷했습니다. 이러한 특징은 포논 드래그 효과에서 파생된 향상된 성능을 갖춘 열전 재료를 설계하는 데 핵심입니다.

에너지 수확 관점에서 포논 엔지니어링은 제어 가능한 열 전달 특성을 가진 재료에 대한 수요 증가로 인해 상당한 주목을 받고 있습니다. 이를 실현하려면 이론적 분석이 필수적이며, 포논 전달의 상세한 메커니즘을 이해하는 것은 재료 개발을 위한 효과적인 전략입니다. 최근 몇 년 동안 많은 연구에서 시뮬레이션을 통해 포논 전달을 분석했지만6,7,8 이러한 결과를 실험적으로 평가하는 것도 마찬가지로 중요합니다.

열 에너지를 활용하는 일부 재료의 경우 전자 전달도 재료 성능에 영향을 미칩니다. 특히 열전 변환 재료에서 캐리어 밀도는 전자 전달에 중요한 역할을 합니다9,10,11. 열전재료는 온도차로 인한 전하 운반체의 이동에 의해 제벡 계수에 비례하는 열전 전력을 생성합니다. 이상적인 열전 재료는 높은 전기 전도성과 낮은 열 전도성을 모두 나타냅니다. 그러나 현미경으로 볼 때 포논과 캐리어 사이의 상호 작용은 이러한 전도도에 큰 영향을 미칩니다.

낮은 열 전도성과 높은 전기 전도성을 갖는 재료를 개발하기 위해 포논 드래그 효과에 대한 이론적 분석도 수행되었습니다. 일반적으로 포논 드래그는 저온 환경, 고순도 재료 등 긴 포논 평균 자유 경로(MFP)가 용이한 조건에서 자주 관찰되는 현상입니다. 그러나 Si 및 Si 기반 합금은 실온에서도 포논 드래그 효과로 인해 상대적으로 높은 제벡 계수를 나타내는 것으로 보고되었습니다. 따라서 열전 성능을 높이려면 다양한 캐리어 밀도에서 포논/전자 수송 특성과 이것이 포논 드래그 효과에 미치는 영향을 연구할 필요가 있습니다.

본 연구에서는 결정이 결정립 경계 없이 완벽하게 배향되어 있고 캐리어 밀도를 쉽게 변경할 수 있기 때문에 인 도핑 양이 다른 Si 단결정을 사용했습니다. 포논 수송 특성을 평가하기 위해 나노압입 및 열전도도 측정을 사용하여 다양한 재료의 그룹 속도와 포논 MFP를 결정했습니다. 동일한 기술을 사용하여 Si 단결정의 결정 방향에 대한 영향을 조사했습니다. 따라서 이 기술은 다양한 캐리어 밀도에서 Si 단결정의 포논 수송을 평가하는 데 사용될 수 있습니다. Si 단결정의 측정된 전기 전도도로부터 전자 수송 특성을 얻었다. 캐리어 밀도와 포논/전자 수송 특성 간의 관계를 조사했습니다. 마지막으로, 포논/전자 수송 특성을 기반으로 포논 드래그 현상을 조사했습니다. 이 연구의 새로운 발견은 정상 평균 자유 경로(MFP)를 가진 포논이 Seebeck 계수를 증가시키는 데 기여하지 않는 반면, 긴 MFP를 가진 포논은 포논 드래그 효과를 통해 Seebeck 계수를 증가시킨다는 것입니다. 또한 포논 드래그 효과는 300K 및 고농도 도핑 영역에서도 충분히 뚜렷했습니다. 이러한 결과는 포논 항력 효과에서 파생된 성능이 향상된 열전 재료를 설계하는 데 중요합니다.