Effect of electron-phonon interaction on lattice thermal conductivity of SiGe alloys

凝聚态物理 声子 热导率 材料科学 热传导 声子散射 散射 热电效应 热电材料 平均自由程 电子 电子迁移率 兴奋剂 物理 热力学 光学 量子力学 复合材料
作者
Qian Xu,Jiawei Zhou,Te‐Huan Liu,Gang Chen
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:115 (2) 被引量:49
标识
DOI:10.1063/1.5108836
摘要

While it is well-known that electron-phonon scattering often determines the electron mobility, its impact on lattice thermal conductivity is less clear. Dominant phonon scattering mechanisms that determine the lattice thermal conductivity have been attributed to phonon-phonon and phonon-defect interactions. However, recent studies in silicon have shown that strong electron-phonon interaction can also lead to significant phonon scatterings at high carrier concentrations. Here, we use first-principles simulations to study thermal transport in SiGe alloys and show that the effect of electron-phonon interaction on thermal transport is even more significant than that in Si because mass disorder scattering leaves long mean free path phonons behind, which are more strongly scattered by electrons. At the carrier concentration of 1 × 1020 cm−3, the room temperature lattice thermal conductivity of the Si0.9Ge0.1 alloy including electron-phonon interaction is only 40% of the value without this interaction. The results show that thermal transport in alloys at a high doping level can be significantly impacted by the free carriers, providing important insights into heat conduction mechanisms in thermoelectric materials which are mostly based on heavily doped alloys.
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