مطالعۀ رسانش گرمايي نانوسيم هاي كوانتومي Si و GaAs

Study of Thermal Conductivity of Si and GaAs Quantum Nanowires

در اين مقاله رسانندگي گرمايي در يك دستگاه يك‌بُعدي، شامل نانوسيم‌هاي نيم‌رسانا با جنس سيليكن و گاليوم آرسنيك محاسبه و رسم شده است. روش به‌كاررفته حل معادلۀ بولتزمن براي پراكندگي فونوني است. در مواردي كه پراكندگي خالص فصل مشترك باشد، رسانندگي هم در نانوسيم سيليكني و گاليوم آرسنيكي مقدار بيشتري را نشان مي‌دهد. رسانندگي با افزايش قطر نانوسيم افزايش مي‌يابد. دو مدل متفاوت براي رسانندگي در اين پژوهش بررسي شده است. مدل اول حل معادلۀ بولتزمن و يافتن جواب‌ها با تقريب زمان واهلش است و ديگري حل خودسازگار معادلۀ بولتزمن است. جواب‌ها در اين دو حل با هم تلفيق شده‌اند. نتايج نشان مي‌دهد كه رسانندگي گرمايي در نانوسيم‌هاي نيم‌رساناي Si و GaAs به ترتيب تقريباً برابر 0/21 و 0/19 مقادير نظيرشان در سامانه‌هاي انبوهه كاهش مي‌يابد كه با داده‌هاي گزارش‌شده توافق دارد. همچنين، نشان داده شده است كه رسانندگي گرمايي نانوسيم گاليوم آرسنيك از مقدار مشابه آن در نانوسيم سيليكن كمتر و در مقايسه با نتايج تجربي منتشرشدۀ اخير براي نانوسيم‌هاي Si متناظر با قطر كمتر، بيشتر و براي نانوسيم‌هاي با قطر بيشتر، كمتر است كه احتمالاً به سبب لحاظ نشدن واپاشي فونون‌هاي اپتيكي به فونون‌هاي صوتي و اثر زبري سطح در رسانندگي گرمايي است.

In this article, the thermal conductivity in one-dimensional 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 self-consistent 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.