Efeitos termoelétricos em ligas e nanoestruturas de semicondutores IV-VI

• Ano de defesa: 2015
• Autor(a) principal: Vânia Aparecida da Costa
• Orientador(a): Erasmo Assumpção de Andrada e Silva
• Banca de defesa: Enzo Granato, Paulo Henrique de Oliveira Rappl, Luis Carlos Ogando Dacal, Guilherme Matos Sipahi
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores
• País: BR
• Resumo em Inglês: This work presents a theoretical study of thermoelectric properties of IV-VI semiconductor alloys and nanostructures. These materials have a been widely studied because they have high figure of merit and their nanostructures (superlattices, quantum wires and quantum wells) are able to improving the thermoelectric response. The theoretical models, developed until now, either have not been able to model quantitatively the measured coefficients and neither to determine the main mechanism responsible for thermoelectric performance. To contribute in this area, the transport coefficients of \emph{Pb$_{1-x}$Sn$_{x}$Te} alloys, quantum wires and \emph{PbT} e superlattices were studied. From \emph{k . p} model, known as Dimmock model, it was calculated the band structure including non parabolicity, anisotropy and multiple valleys effects. The bulk transport coefficients and superlattice were calculated within the semiclassical formalism which uses the Boltzmann equation solution in the relaxation time approximation. In the quantum wire case, it was used the Landauer formalism, where the transport coefficients are given in terms of the transmission probability of electrons in the ballistic regime, between contacts represented by reservoirs in equilibrium. Based on the analysis of temperature variations, carrier concentration, percentage of tin percentage in bulk, geometry and parameters of nanostructures, were discussed the mechanism to increase the thermoelectric efficiency of these materials. The results indicate that the model used for the bulk has a good agreement with the experiment and the increase of tin in \emph{Pb$_{1-x}$Sn$_{x}$Te} alloys increase the figures of merit values. A gain factor has been introduced to study the thermoelectric performance due to changes in dimensionality and nanostructures packaging within a finite-3D bulk. Changes in the thermoelectric efficiency of IV -VI superlattices can be obtained exploiting its anisotropy, this implies new possilibidades of application in thermoelectric devices.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2015/01.30.11.47

Este trabalho apresenta um estudo teórico das propriedades termoelétricas de ligase nanoestruturas de semicondures IV-VI. Estes materiais têm sido muito estudados por possuírem altos valores de figura de mérito e por suas nanoestruturas (superredes, fios e poços quânticos) apresentarem possibilidades na melhora da resposta termoelétrica. Dentre os modelos teóricos desenvolvidos até o momento, pode-se observar que ainda não foi possível modelar quantitativamente os coeficientes mensurados e nem determinar o principal mecanismo responsável pela resposta termoelétrica. Para contribuir nessa área, foram estudados os coeficientes de transporte de ligas \emph{Pb$_{1-x}$Sn$_{x}$Te}, fios quânticos e super-redes de \emph{PbTe}. Partindo do modelo \emph{k . p}, conhecido como modelo de Dimmock, foi calculada a estrutura de bandas incluindo efeitos de não parabolicidade, anisotropia e múltiplos vales. Os coeficientes de transporte do \emph{bulk} e super-rede foram calculados dentro do formalismo semiclássico que utiliza a solução da equação de Boltzmann na aproximação do tempo de relaxação. No caso do fio quântico, foi utilizado o formalismo de Landauer, onde os coeficientes de transporte são dados em termos da probabilidade de transmissão de elétrons em movimento balístico entre contatos representados por reservatórios em equilíbrio. Com base na análise das variações de temperatura, concentração de portadores, percentual de estanho do \emph{bulk}, geometria e parâmetros das nanoestrururas, foram discutidos os mecanismos para o aumento da eficiência termoelétrica destes materiais. Os resultados indicam que o modelo utilizado para o \emph{bulk} possui um bom acordo com a experiência e que o aumento de estanho em ligas \emph{Pb$_{1-x}$Sn$_{x}$Te} melhoraos valores de figura de mérito. Um fator de ganho foi introduzido para avaliar a resposta termoelétrica devido à alteração na dimensionalidade e empacotamento de nanoestruturas no interior de um \emph{bulk} 3D finito. Alterações na eficiência termoelétrica de super-redes IV-VI podem ser obtidas explorando a sua anisotropia o que implica em novas possilibidades de aplicação em dispositivos termoelétricos.