Role of Disorder and Anharmonicity in the Thermal Conductivity of Silicon-Germanium Alloys: A First-Principles Study

非谐性 热导率 声子 材料科学 凝聚态物理 热电材料 散射 声子散射 平均自由程 物理 光电子学 复合材料 量子力学
作者
Jivtesh Garg,Nicola Bonini,Boris Kozinsky,Nicola Marzari
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:106 (4) 被引量:435
标识
DOI:10.1103/physrevlett.106.045901
摘要

The thermal conductivity of disordered silicon-germanium alloys is computed from density-functional perturbation theory and with relaxation times that include both harmonic and anharmonic scattering terms. We show that this approach yields an excellent agreement at all compositions with experimental results and provides clear design rules for the engineering of nanostructured thermoelectrics. For Si(x)Ge(1-x), more than 50% of the heat is carried at room temperature by phonons of mean free path greater than 1 μm, and an addition of as little as 12% Ge is sufficient to reduce the thermal conductivity to the minimum value achievable through alloying. Intriguingly, mass disorder is found to increase the anharmonic scattering of phonons through a modification of their vibration eigenmodes, resulting in an increase of 15% in thermal resistivity.
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