[论文解读] 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 1

一句话总结

本文提出一种基于4-Al原子结的原子尺度热电制冷机，利用从头算计算表明，准弹道电子输运与低驱动电压可抑制局部加热及声子热流，从而实现高于相同ZT值的体材料热电系统的性能系数（COP），展示了超越经典热电理论的量子增强制冷效果。

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.

研究动机与目标

• 通过精确的原子级控制设计原子尺度热电制冷机。
• 研究声子热流与局部加热对纳米尺度制冷效率的影响。
• 评估原子结的性能系数（COP）与体材料热电系统的比较。
• 探讨原子尺度的量子效应是否可突破经典热电理论的限制。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）进行第一性原理电子结构计算，以模拟4-Al原子结。
• 引入电子-声子耦合，以考虑系统中的声子热流。
• 应用非平衡格林函数（NEGF）形式化计算偏压下的电子与热输运。
• 模拟不同驱动电压下原子结处的局部加热效应。
• 计算性能系数（COP）随外加电压与系统参数的变化关系。
• 比较原子尺度器件与具有相同ZT值的体材料热电材料的COP。

实验结果

研究问题

• RQ1 在实际条件下，原子尺度结能否作为可行的热电制冷机？
• RQ2 原子结处的局部加热如何影响制冷性能与COP？
• RQ3 声子热流在多大程度上限制了原子尺度热电器件的效率？
• RQ4 原子尺度系统中准弹道电子输运是否可使COP高于相同ZT值的体材料？
• RQ5 原子尺度的量子效应是否可实现超越经典热电理论预测的制冷性能？

主要发现

• 由于强电压依赖性加热与输运效应，原子尺度制冷机仅在极窄的驱动电压范围内高效运行。
• 4-Al原子制冷机的性能系数（COP）高于相同ZT值的体材料热电系统。
• 通过准弹道电子输运抑制局部加热，是原子尺度器件实现更高效率的关键因素。
• 声子热流显著影响制冷性能，必须在纳米尺度热电设计中予以考虑。
• 量子限制与原子级控制使电子制冷效果超越经典热电理论的预测。
• 系统性能对电压高度敏感，表明存在狭窄的最佳制冷工作窗口。