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凝聚态物理 > 中尺度与纳米尺度物理

arXiv:2505.11043 (cond-mat)
[提交于 2025年5月16日 ]

标题: 角度依赖的共振隧穿与混合一维-二维-一维半导体纳米结构中的热电能量管理

标题: Angle-dependent resonant tunneling and thermoelectric energy management in a hybrid 1D-2D-1D semiconductor nanostructure

Authors:Xiaoguang Luo, Jiaming Wang, Jiawen Dai, Junqiang Zhang, Nian Liu
摘要: 低维半导体由于其抑制的晶格热传导、尖锐定义的电子态密度和可调的能量选择性电子传输,已被广泛用于热电能量转换以实现高效率。 然而,费米能级钉扎或掺杂限制的普遍挑战限制了通过化学势调制精确控制热电能量管理。 在此,我们提出了一种替代策略:利用角度依赖的电子入射来动态操控电子传输和热传输,这在二维InP/InAs/InP双势垒异质结构中理论实现,并结合横向一维电极。 通过结合传递矩阵方法和Landauer公式,我们展示了角度依赖的共振隧穿动力学、可调的负微分电阻效应以及热电能量转换中的近卡诺极限。 角度调制实现了对传输共振的精确控制,促进了热电模式(发电、冷却和混合加热)之间的动态转换,而无需极端化学势偏移。 这项工作确立了角度分辨电子传输作为一种多功能机制,用于片上热管理和低温应用,为克服下一代纳米电子和量子器件中的材料限制提供了一条途径。
摘要: Low-dimensional semiconductors have been widely exploited in thermoelectric energy conversion for high efficiencies due to their suppressed lattice thermal conduction, sharply defined electronic density of states, and tunable energy-selective electron transmission. However, the widespread challenge of Fermi-level pinning or doping constraints limit precise control over thermoelectric energy management via chemical potential modulation. Here, we proposed an alternative strategy: leveraging angle-dependent electron incidence to dynamically manipulate electron transmission and heat transport, which was implemented theoretically in a two-dimensional InP/InAs/InP double-barrier heterostructure integrated with laterally one-dimensional electrodes. By combining the transfer matrix method and Landauer formalism, we demonstrated the angle-dependent resonant tunneling dynamics, tunable negative differential resistance effect, and near-Carnot limits in thermoelectric energy conversions. Angular modulation enables precise control over transmission resonances, facilitating dynamic transitions among thermoelectric regimes (power generation, cooling, and hybrid heating) without requiring extreme chemical potential shifts. This work establishes angularly resolved electron transmission as a versatile mechanism for on-chip thermal management and cryogenic applications, offering a pathway to circumvent material limitations in next-generation nanoelectronics and quantum devices.
评论: 19页,7图
主题: 中尺度与纳米尺度物理 (cond-mat.mes-hall)
引用方式: arXiv:2505.11043 [cond-mat.mes-hall]
  (或者 arXiv:2505.11043v1 [cond-mat.mes-hall] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2505.11043
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来自: Xiaoguang Luo [查看电子邮件]
[v1] 星期五, 2025 年 5 月 16 日 09:37:13 UTC (1,091 KB)
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