Thermal Conductivity of Nanocrystalline Silicon: Importance of Grain Size and Frequency-Dependent Mean Free Paths

纳米晶材料 平均自由程 粒度 材料科学 散射 晶界 声子散射 热导率 凝聚态物理 纳米晶硅 热电材料 声子 复合材料 光学 微观结构 纳米技术 冶金 物理 晶体硅 非晶硅
作者
Zhaojie Wang,J.E. Alaniz,Wanyoung Jang,Javier E. Garay,Chris Dames
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:11 (6): 2206-2213 被引量:434
标识
DOI:10.1021/nl1045395
摘要

The thermal conductivity reduction due to grain boundary scattering is widely interpreted using a scattering length assumed equal to the grain size and independent of the phonon frequency (gray). To assess these assumptions and decouple the contributions of porosity and grain size, five samples of undoped nanocrystalline silicon have been measured with average grain sizes ranging from 550 to 64 nm and porosities from 17% to less than 1%, at temperatures from 310 to 16 K. The samples were prepared using current activated, pressure assisted densification (CAPAD). At low temperature the thermal conductivities of all samples show a T2 dependence which cannot be explained by any traditional gray model. The measurements are explained over the entire temperature range by a new frequency-dependent model in which the mean free path for grain boundary scattering is inversely proportional to the phonon frequency, which is shown to be consistent with asymptotic analysis of atomistic simulations from the literature. In all cases the recommended boundary scattering length is smaller than the average grain size. These results should prove useful for the integration of nanocrystalline materials in devices such as advanced thermoelectrics.
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