新型纳米结构是如何解决，金属材料高导电性和高导热率的特性的？

王光瑞

文 | 薛铮铮aa
编辑 | 薛铮铮aa
«——【·引言·】——»
纳米结构设计是一种新型的技术手段，它可以大幅降低材料的导热率，同时保持高导电性。这种设计方式已经被广泛运用于电子、热能和光学等领域。

它的基本思路是，通过控制物质在三维空间中的排列方式，构造出具有特定性质的材料，这样可以实现材料的物理和化学性质的调控。
而在导热率与导电性方面的控制，则是通过控制材料内部电子，和热子的传输方式实现的。

纳米结构设计利用降低材料的长距离结晶缺陷的方式，形成大量的界面和表面区域，从而降低了材料导热性。
因为在这些界面和表面区域，物质的原子结构会发生重新排列，所以会产生出更多的不规则弯曲和回折。

在纳米尺度下，材料表面积比体积大很多，这意味着更多的材料表面，可以为自由电子提供导电通道，这样增加了材料内部的导电性。
因此，纳米结构设计是一种有效的技术手段，可以实现对材料导热率和导电性的控制。

«——【·通过纳米结构设计和形成技术进行热和电控制的策略·】——»
一、针对热电材料的策略及其应用
声子通常参与热电材料的传导，在材料中引入纳米结构，会使声子在界面上散射，从而降低热导率，这将导致更大的声子散射。

这种传统方法假定，与声子散射概率相关的界面热阻，不取决于界面的曲率，而是取决于材料本身。
在确定了这些材料属性后，假定界面热阻保持恒定。当引入的结构尺寸缩小到纳米级时，一个界面上的声子散射概率本身，可以通过改变界面曲率半径来增加或减少。
换句话说，界面曲率半径改变了界面热阻。通过引入纳米结构，材料的热导率降低。

如果同时可以增加电导率，就可以利用这种方法开发高性能的热电材料。
如前所述，热电转换的ZT被定义为S 2σT / κ，并且热电转换的功率因子由S 2σ描述。引入纳米结构通常不会对S产生很大影响，除非是二维结构，例如二维电子或空穴气体。

虽然开发具有高电和低热传导性能的材料至关重要，但通常这些性质是相互关联的。因此独立控制电和热传导，是一个重要的目标。
这里描述了一种制备高载流子电导率，和低热导率材料的方法，就是将纳米结构与原子水平上精细控制的界面结合。在这其中硅的材料环保且价格便宜。

但硅并不是一个有效的热电材料，因为它具有很高的热导率，尽管其具有很高的热电转换功率因子。
如果能够降低硅的热电传导性能但保持高功率因子，则可以将由基于硅的大规模集成电路，产生的大量废热重新利用为电能。

而实现基于硅的热电材料后，则此类模块或装置可应用于，与LSI相关的各种数字设备。
这表明其实现可以为即将到来的“物联网”社会中，连接LSI的许多传感器，提供有用的能源来源。由于硅加工技术已经成熟，基于硅的热电材料将对工业非常具有吸引力。

目前有两种基于硅的纳米结构，它们能够独立控制电导率和热导率。
其中一种是连接纳米级外延硅NDs的结构，所有NDs具有相同的晶体取向。因为NDs的有序晶体取向，我们预期载流子的波函数在该材料中应该能够相干地扩散。

相反具有长平均自由程的声子很容易在ND界面处被散射。因此，应该保留高的电导率，同时降低热导率。
另一种结构由含有纳米级外延Ge NDs的硅薄膜构成，硅层和Ge NDs分别作为电导层，和声子散射体。

在含有Ge NDs的Si薄膜结构中，这两个部分可以独立控制，从而实现更大的可控性。
用于独立控制热电导率的纳米结构：(a)连接Si NDs的结构和(b)含有NDs的Si薄膜。

通过制造任意的纳米结构并基于纳米结构物理学推出新颖的材料性质，在学术和实践上都具有极大的价值。
由于目前对纳米结构内部热传输物理的认识还不够充分，因此影响材料性质的界面结构必须被明确定义。

当采用大块材料的制造方法时，控制纳米材料的纯度、晶体结构的均匀性、界面形状和组成是很困难的。这些技术困难阻碍了，对纳米尺度下材料物理的理解。
因此，使用高度受控的纳米技术进行制造，以澄清纳米尺度下的声子传输理论是必要的，这将进一步推进这个领域的发展。

二、纳米结构形成技术

通过在较低温度(