我們提出了一個(gè)連續(xù)介質(zhì)理論來(lái)分析壓電半導(dǎo)體中熱電場(chǎng)和機(jī)械場(chǎng)之間的相互作用。在參考構(gòu)型中給出了平衡規(guī)律和耗散不等式。通過(guò)引入廣義菲克定律，導(dǎo)出了包括漂移擴(kuò)散電流、熱通量傅立葉定律、塞貝克效應(yīng)和珀?duì)柼?yīng)在內(nèi)的熱力學(xué)一致本構(gòu)方程。結(jié)合能量平衡和第二吉布斯關(guān)系，導(dǎo)出了半導(dǎo)體效應(yīng)下的熱傳導(dǎo)方程和焦耳熱的產(chǎn)生。該框架在幾何上線性化，適用于小變形的晶體。基于新建立的框架，確定了6mm級(jí)晶體中熱電場(chǎng)和機(jī)械場(chǎng)之間的兩種新的耦合機(jī)制。1)機(jī)械載荷可以通過(guò)機(jī)械感應(yīng)勢(shì)阱阻擋載荷區(qū)內(nèi)的電流和熱流。在1%的應(yīng)變水平下，電流和熱流可以減少多達(dá)80%。這種效應(yīng)有利于設(shè)計(jì)新的開(kāi)關(guān)器件。2)令人驚訝的是，機(jī)械載荷可以通過(guò)感應(yīng)勢(shì)壘充當(dāng)電流放大器。此外，利用焦耳熱可以產(chǎn)生熱偶極子，這表明機(jī)械載荷可以導(dǎo)致局部制冷。通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)值模型，我們證明了在1%左右的應(yīng)變水平下，機(jī)械變形可以產(chǎn)生0.06 K的溫差。在新的制冷機(jī)制的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步提出了一種新型多級(jí)金字塔形級(jí)聯(lián)制冷裝置。本文的框架為分析半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的多物理場(chǎng)問(wèn)題提供了基礎(chǔ)，也為開(kāi)關(guān)和制冷器件提供了潛在的思路。由于該框架是基于有限變形理論，將有助于分析新興柔性半導(dǎo)體材料的行為或開(kāi)發(fā)相應(yīng)的計(jì)算方法。
圖1. 由掃描探針施加在壓電薄膜上的機(jī)械力。
圖2. 機(jī)械加載區(qū)周?chē)碾妱?shì)和電流。(a)電勢(shì)。(b)電流。
圖3. 熱-電-彈性半導(dǎo)體的參考構(gòu)型(B
0)和當(dāng)前構(gòu)型(B
t)。
圖4. 一種熱電Mindlin板(c軸沿板厚
X3方向)。
圖5. 機(jī)械加載區(qū)域。
圖6. 中心小矩形加載區(qū)域內(nèi)機(jī)械載荷誘導(dǎo)的ZnO板中的場(chǎng)分布。(a)靜電勢(shì)。(b)溫度變化。(c)電流密度。(d)熱流密度。
圖7. 大矩形加載區(qū)域內(nèi)均布載荷誘導(dǎo)的ZnO板中的場(chǎng)分布。(a)靜電勢(shì)。(b)溫度變化。(c)電流密度。(d)熱流密度。
圖8. 不同機(jī)械載荷大小(a)和不同機(jī)械載荷區(qū)域(寬度)(b)沿截面
X1 =0.5
a1的電流大小。
圖9. 電流和熱流與(a)不同大小的機(jī)械載荷、(b)不同寬度的機(jī)械加載區(qū)域的關(guān)系。
圖10. 當(dāng)
a0 = 90 nm,
b0 = 30 nm時(shí)，反向機(jī)械載荷,誘導(dǎo)ZnO板中的場(chǎng)分布。(a)靜電勢(shì)。(b)溫度變化。(c)電流密度。(d)熱流密度。
圖11. 體熱源分布。
圖12. 最大溫差θ與機(jī)械載荷的大小的關(guān)系。
圖13. 三級(jí)熱電級(jí)聯(lián)示意圖，第一層在上，第三層在下。
相關(guān)研究成果由西安交通大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、京都大學(xué)機(jī)械工程與科學(xué)系Yilin Qu等人于2023年發(fā)表在International Journal of Engineering Science (https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2022.103775 )上。原文：Modeling thermoelectric effects in piezoelectric semiconductors: New fully coupled mechanisms for mechanically manipulated heat flux and refrigeration。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
