تحلیل اثرات ترموالکتریک در نانوسیم ها با استفاده از مدل های چندفیزیکی کوانتومی

پیشرفت های اخیر در فناوری نانو نشان داده است که نانوسیم ها به دلیل ابعاد کم، نسبت سطح به حجم بالا و بروز پدیده های غالب کوانتومی، بستر مناسبی برای ارتقای عملکرد سامانه های ترموالکتریک محسوب می شوند. در مقیاس نانو، سازوکارهای انتقال بار و حرارت به طور معناداری با رفتار مواد توده ای تفاوت داشته و تحت تاثیر محبوس سازی کوانتومی، گسسته شدن ترازهای انرژی، تغییر مکانیزم های پراکندگی و برهم کنش پیچیده میان الکترون ها، فونون ها و میدان های حرارتی قرار می گیرند. این پیچیدگی ها موجب می شود تحلیل اثرات ترموالکتریک نانوسیم ها صرفا با تکیه بر مدل های کلاسیک ناکافی بوده و نیاز به به کارگیری مدل های چندفیزیکی کوانتومی بیش از پیش احساس گردد.پژوهش حاضر با هدف تحلیل عمیق اثرات ترموالکتریک در نانوسیم ها، از چارچوب مدل های چندفیزیکی کوانتومی بهره می گیرد تا تعامل هم زمان پدیده های الکترونی، حرارتی و کوانتومی را به صورت یکپارچه بررسی کند. در این راستا، رفتار پارامترهای کلیدی ترموالکتریک شامل ضریب سی بک، رسانندگی الکتریکی و رسانندگی گرمایی فونونی و الکترونی، در شرایط غیرتعادلی و در حضور محبوس سازی ابعادی مورد واکاوی قرار می گیرد. تمرکز اصلی مطالعه بر تبیین این موضوع است که چگونه کاهش ابعاد و مهندسی هندسه نانوسیم ها می تواند منجر به تضعیف انتقال گرمای فونونی و در عین حال حفظ یا حتی تقویت انتقال الکترونی شود؛ امری که به بهبود ضریب شایستگی ترموالکتریک منجر خواهد شد.یافته های تحلیلی نشان می دهد که مدل های چندفیزیکی کوانتومی قادرند اثرات متقابل میان انتقال بار، انتقال حرارت و میدان های کوانتومی را با دقت بالاتری توصیف کنند و نقش تعیین کننده ساختار نواری، چگالی حالات و سازوکارهای پراکندگی را در عملکرد ترموالکتریک نانوسیم ها آشکار سازند. نتایج این پژوهش حاکی از آن است که طراحی هدفمند نانوسیم ها بر پایه این مدل ها می تواند مسیر توسعه ادوات ترموالکتریک با بازده بالا را هموار کرده و کاربردهای بالقوه ای در حوزه بازیافت انرژی، خنک سازی در مقیاس نانو و سامانه های انرژی پایدار فراهم آورد.

کلیدواژه ها:

نانوسیم ، ترموالکتریک ، مدل های چندفیزیکی کوانتومی ، محبوس سازی ابعادی ، انتقال الکترون–فونون ، ضریب شایستگی ترموالکتریک