مطالعۀ رسانش گرمایی نانوسیم های کوانتومی Si و Gaas

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 0.21 و 0.19 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.

Study of Thermal Conductivity of Si and GaAs Quantum Nanowires

Abstract: In this article, the thermal conductivity in onedimensional 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 selfconsistent 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.