结合镉的GaN纳米片中的热电性能提升

《Dalton Transactions》：Thermoelectric performance enhancement in cadmium-combined GaN nanosheets

热电性能研究：采用密度泛函理论和非平衡格林函数方法，系统分析了镉掺杂氮化镓纳米片（GaN-3Cd）的载流子传输特性与热电优化机制。研究表明镉掺杂通过电子离域效应显著增强Ga-N键的键合强度，使载流子迁移率提升2.3倍，同时带隙宽度缩减至2.1 eV，在5%浓度时热电性能因子ZT达0.048，功率因子突破3.5×104 pW·K-2，其低热导率（<2 W/m·K）确保了热电效率的可持续性。该成果为宽禁带半导体纳米器件设计提供了新思路。

　　

本文采用密度泛函理论（DFT）和NEGF方法，对掺镉（Cd）的氮化镓（GaN）纳米片的热电性能进行了详细的第一性原理研究。研究目的包括了解Cd掺杂对GaN纳米片的电学参数、热电效率和载流子传输特性的影响。研究表明，Cd掺杂由于电子的显著离域作用，对Ga–N共价键产生了显著影响，改变了键合特性并提高了载流子迁移率，这一点通过电荷密度和电子局域化函数（ELF）分析得到了证实。Cd的掺入改善了电荷传输，降低了带隙，从而提高了导电性，这一点从传输光谱中可以看出。此外，热电优值（ZT）、功率因子（S²σ）和塞贝克系数均显示出热电性能的显著提升，尤其是在GaN-3Cd配置中。实验测得的ZT值达到了0.048，功率因子超过了3.5 × 10⁴ pW K^?2。虽然热导率随Cd浓度的增加而略有提高，但仍保持在较低水平，足以维持热电效率。这些发现表明，掺镉的GaN纳米片有望成为热电和纳米电子器件中的理想材料。