[论文解读] Modulation of Semiconductor Superlattice Thermopower Through Symmetry and Strain

Vitaly Proshchenko, Manoj Settipalli+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2019

Semiconductor materials and devices参考文献 126被引用 5

一句话总结

本文提出一种应变工程策略，通过利用对称性诱导的能带形成和外延应变，调节谷态贡献并调制态密度，从而在[001] Si/Ge超晶格中突破Pisarenko关系，显著提升热电功率。结合Kronig-Penney模型与DFT-Boltzmann输运模型，作者证明在高度掺杂的应变超晶格中，热电功率最高可提升5倍，其机制源于应变诱导的能带位移和振荡态密度，为实现高效热电材料提供了新途径。

ABSTRACT

In doped semiconductors and metals, the thermopower decreases with increasing carrier concentration, in agreement with the Pisarenko relation. Here, we demonstrate a new strain engineering approach to increase the thermopower of [001] Si/Ge superlattices (SLs) beyond this relation. Using two independent theoretical modeling approaches, we show that new bands form due to the structural symmetry, and, the SL bands are highly tunable with epitaxial substrate strain. The band shifts lead to a modulated thermopower, with a peak $\sim$5-fold enhancement in strained Si/Ge SLs in the high doping regime.

研究动机与目标

• 克服掺杂半导体中载流子浓度增加导致热电功率下降的根本限制。
• 建立外延应变、电子能带结构与[001] Si/Ge超晶格中热电功率调制之间的机理联系。
• 证明通过对称性驱动的能带工程，应变可在高掺杂区域打破Pisarenko关系。
• 基于分析方法与第一性原理方法，为基于应变的热电功率增强提供理论基础。

提出的方法

• 采用Kronig-Penney模型，通过先前研究中获得的形变势和有效质量参数，解析描述Si/Ge超晶格中的能带形成。
• 使用第一性原理密度泛函理论（DFT），采用PBE交换关联泛函与规范守恒赝势，计算电子结构。
• 应用半经典Boltzmann输运方程（BTE），从DFT获得的能带结构与费米面特性计算热电功率。
• 在固定面内晶格常数（a∥ = a_substrate）下进行结构弛豫，并在垂直方向（a⊥）允许自由弛豫，以模拟外延应变。
• 在布里渊区中使用密集的k点网格（约50,000和约20,000个点）进行非自洽场计算，以确保输运系数的收敛性。
• 将波函数投影到球谐函数上，分析能带结构中s、p和d轨道特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在[001] Si/Ge超晶格中，外延应变是否可在高掺杂区域打破热电功率的Pisarenko关系？
• RQ2 结构对称性如何诱导新能带形成并改变应变超晶格中的态密度？
• RQ3 面内基底应变在多大程度上可调节谷态贡献并调制热电功率？
• RQ4 由应变引起的能带位移在增强态密度的能量依赖性方面发挥何种作用，从而提升热电功率？

主要发现

• 在[001] Si/Ge超晶格中，通过应变工程可在高掺杂区域实现热电功率最高达5倍的增强，突破Pisarenko关系。
• 由于布里渊区折叠和周期性势场作用而形成的新型能带，与超晶格结构的对称性直接相关。
• 由晶格失配基底（Si或Ge）引起的面内外延应变显著调节谷态贡献并移动能带色散，从而改变态密度。
• 由此产生的振荡态密度通过增强电子态的能量依赖性，提升热电功率。
• Kronig-Penney模型与DFT-Boltzmann模型结果一致，验证了应变诱导热电功率调制机制的可靠性。
• 计算得到的体相Si和Ge晶格常数（5.475 Å和5.74 Å）与实验值相差小于1%，证实了DFT方法的准确性。