[論文レビュー] Atomistic Thermoelectric Refrigerator: A Proposal via a First-principles Calculation

Yushen Liu, Yu‐Chang Chen|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2009

Advanced Thermoelectric Materials and Devices被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、第一原理計算を用いて、4-Al原子接合を用いた原子スケールの熱電冷凍機を提案する。準自由行程電子輸送と低駆動電圧が、局所的加熱およびフォノン熱電流を抑制し、同じZTを有するバルク熱電系よりも高い冷却効率（COP）を実現することを示している。これは、古典的熱電理論の限界を超える量子増強型冷却を実証するものである。

ABSTRACT

We propose a thermoelectric cooling device based on an atomic-sized junction. Using first-principles approaches, we investigate the working conditions and the coefficient of performance (COP) of an atomic-scale electronic refrigerator where the effects of phonon's thermal current and local heating are included. It is observed that the functioning of the thermoelectric nano-refrigerator is restricted to a narrow range of driving voltages. Compared with the bulk thermoelectric system with the overwhelmingly irreversible Joule heating, the 4-Al atomic refrigerator has a higher efficiency than a bulk thermoelectric refrigerator with the same $ZT$ due to suppressed local heating via the quasi-ballistic electron transport and small driving voltages. Quantum nature due to the size minimization offered by atomic-level control of properties facilitates electron cooling beyond the expectation of the conventional thermoelectric device theory.

研究の動機と目的

• 正確な原子スケール制御を用いた原子スケール熱電冷凍機の設計を目的とする。
• ナノスケール冷凍におけるフォノン熱電流および局所的加熱の影響を調査することを目的とする。
• 原子接合の冷却効率（COP）をバルク熱電系と比較して評価することを目的とする。
• 原子スケールにおける量子効果が、古典的熱電理論の制限を超える可能性があるかを検討することを目的とする。

提案手法

• 4-Al原子接合のモデル化に、密度汎関数理論（DFT）を用いた第一原理電子構造計算を実施する。
• 系内のフォノン熱電流を考慮するため、電子-フォノン結合を組み込む。
• バイアス下での電子および熱輸送を計算するために、非平衡グリーン関数（NEGF）形式を適用する。
• さまざまな駆動電圧における原子接合での局所的加熱効果をシミュレートする。
• 印加電圧および系のパラメータの関数として冷却効率（COP）を計算する。
• 同じZT値を有するバルク熱電材料と比較して、原子スケールデバイスのCOPを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実際の条件下で、原子スケール接合が実用的な熱電冷凍機として機能可能であるか？
• RQ2 原子接合における局所的加熱が冷却性能およびCOPに与える影響はいかほどか？
• RQ3 フォノン熱電流が原子スケール熱電デバイスの効率に及ぼす制限はどの程度か？
• RQ4 同じZTを有するバルク熱電系と比較して、原子スケール系における準自由行程電子輸送がCOPを高めるか？
• RQ5 原子スケールにおける量子効果が、古典的熱電理論の予測を超える冷却性能を実現できるか？

主な発見

• 強い電圧依存性の加熱および輸送効果のため、原子スケール冷凍機は駆動電圧の狭い範囲でのみ効率的に動作する。
• 4-Al原子冷凍機は、同じZT値を有するバルク熱電系よりも高い冷却効率（COP）を達成している。
• 準自由行程電子輸送による局所的加熱の抑制が、原子スケールデバイスの高い効率の鍵要因である。
• フォノン熱電流は冷却性能に顕著な影響を及ぼし、ナノスケール熱電設計において考慮すべき要因である。
• 量子閉じ込めおよび原子スケール制御により、従来の熱電理論の予測を超える電子冷却が可能である。
• 系の性能は電圧に強く依存しており、最適冷却のための狭い動作窓があることが示された。