Влияние поверхности и границ раздела на продольный тепловой транспорт в слоистых тонкопленочных структурах Si/Ge

Abstract

Одним из основных подходов повышения термоэлектрической эффективности материалов является понижение их теплопроводности, в связи с чем в низкоразмерных структурах важную роль приобретает поверхность и возможные границы раздела. Проведено исследование продольной фононной теплопроводности в многослойных тонкопленочных структурах Si/Ge, имеющих резкие границы раздела и (100), (110), (111) кристаллографические ориентации, в зависимости от числа периодов Si/Ge (или толщины пленки) в сравнении с пленками Ge эквивалентной толщины методом неравновесной молекулярной динамики при 300K. Показано, что при уменьшении толщины слоистой пленки Si/Ge с ~50 до 1 nm и распространении теплового потока вдоль направления [110] имеет место существенное фонон-поверхностное рассеяние для ориентации (100), что приводит к снижению фононной теплопроводности почти в 4 раза (с 19.1 до 5.12W/(m•K)) и к незначительному ее изменению (~22 ± 1W/(m•K)) для ориентаций (110) и (111). В случае пленок Ge эквивалентной толщины установлено качественное и количественное соответствие с результатами для пленок Si/Ge, указывая на то, что рассеяние фононов на границе раздела Si/Ge балансируется добавленными слоями Si с более высокой теплопроводностью.