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姓名	熊子綱(Tzu Kang)  查詢紙本館藏	畢業系所	電機工程學系
論文名稱	庫倫交互作用與電子躍遷效應對串接耦合量子點熱電特性的影響 (Effects of Coulomb blockade and interdot hopping on the thermoelectric properties of serially coupled quantum dots)
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摘要(中)	在這篇論文裡，我們理論性地利用雙能階安德生模型探討了一個串接耦合量子點(由內含雙量子點的奈米線連接金屬電極所構成)的熱電特性，在庫倫阻塞區域內的電流及熱流公式可以由凱帝旭格林函數的技巧計算求得。我們探討了底下效應對系統熱電優值的影響: 1)量子點間電子跳躍強度以及庫倫交互作用，2)量子點能階位於電極費米能階以上或以下時 。我們也探討了席貝克係數(Seebeck coefficient)隨溫度變號的現象。當量子點能階位在費米能階以上時，ZT值的最大值會因庫倫交互作用而受壓抑;而當量子點能階位在費米能階以下時，最大ZT值與電子庫倫交互作用有關。而在考量聲子熱導時，最佳ZT值較容易發生於量子點間電子跳躍強度大於電極與量子點的穿隧率之處。我們證明了ZT不是電子跳躍強度的單調遞增函數。除此之外，當量子點能階位在費米能階以上時(遠離費米能階)電子庫倫交互作用對席貝克係數的影響並不大，而當量子點能階位在費米能階以下時，我們發現席貝克係數的變號與溫度有關，這意味著我們可以透過溫度的控制來調整系統的雙極效應。
摘要(英)	In this thesis, we theoretically investigate the thermoelectric properties of a serially coupled quantum dot system (double quantum dots embedded in a nanowire connected to metallic electrodes ) by a two-level Anderson model. The charge and heat currents in the Coulomb blockade regime are calculated by the Keldysh-Green function technique. We study the following effects on the figure of merit (ZT) of system:1) electron interdot hopping strengths (t_AB) and Coulomb interactions, and 2) quantum dot energy levels above and below the Fermi energy (E_F) of electrodes. We also study the sign variation of Seebeck coefficient with respect to equilibrium temperature. When QD energy levels are aboveE_F , the maximum ZT is suppressed by the electron Coulomb interactions. When QD energy levels are below EF, the maximum ZT is attributed to the electron Coulomb interactions. The optimization of ZT prefers that the interdot electron hopping strengths are larger than electron tunneling rates arising from the coupling between the QDs and the electrodes in the presence of phonon thermal conductance. We demonstrate that ZT is not a monotonic increasing function of interdot electron hopping strength (t_AB). In addition, the Seebeck coefficient is not sensitive to the electron Coulomb interactions when QD energy levels are above E_F (far away from E_F). When QD energy levels are below E_F, we find the sign changed in the Seebeck coefficient with respect to temperature, which indicates that we can manipulate temperature to control the bipolar effect of junction system.
關鍵字(中)	★ 電子躍遷效應 ★ 庫倫交互作用 ★ 熱電 ★ 費米能階 ★ 席貝克係數 ★ 格林函數 ★ 聲子熱導 ★ 電子熱導	關鍵字(英)	★ interdot electron hopping ★ thermoelectric ★ electron thermal conductance ★ phonon thermal conductance ★ Coulomb interaction ★ Fermi level ★ Seebeck coefficient
論文目次	目錄 摘要 Ⅰ Abstract Ⅱ 第一章 導論 1 1-1 前言 1 1-2 熱電元件及三種熱電效應之介紹 1 1-2-1 Seebeck effect及其應用 1 1-2-2 Peltier effect及其應用 3 1-2-3 Thomson effect及其應用 5 1-3熱電優值(Figure of merit) 6 1-4 熱電發展、電子跳躍效應與庫倫交互作用 7 1-4-1 熱電發展簡史 7 1-4-2 電子跳躍效應 8 1-4-3 庫倫交互作用(Coulomb interaction) 9 1-5 研究動機 9 第二章 系統模型與電流及熱流之公式 10 2-1系統模型 10 2-2熱流與電流公式 12 2-3 Figure of merit及各項熱電係數之定義與推導 20 第三章 熱電效應的模擬 23 3-1前言 23 3-2電子跳躍強度對SCQD系統ZT值的影響 23 3-2-1 忽略聲子熱導的情況下,ZT在不同t_AB值對溫度之變化 24 3-2-2 考量聲子熱導的情況下,ZT在不同t_AB值對溫度之變化 27 3-2-3 考量聲子熱導的情況下,ZT在不同t_AB值下對能階之變化 31 3-2-4 不考慮聲子熱導,ZT在不同能階對t_AB的變化 35 3-3 庫倫交互作用對SCQD系統ZT值的影響 39 3-3-1 庫倫交互作用對於各項熱電係數之影響 39 3-3-2 U_AB與U_(A(B))對ZT值的影響比較 44 3-4 調變閘極電壓對各項熱電係數之影響 46 3-4-1 考量庫倫交互作用下低溫區域之各項熱電係數 46 3-4-2 不考量庫倫交互作用下,低溫區域之各項熱電係數 50 3-4-3 加大庫倫交互作用下觀察低溫區域之熱電係數變化 51 3-4-4 考量庫倫交互作用下觀察不同溫度之熱電係數變化 54 3-4-5 不考量庫倫交互作用下觀察不同溫度之熱電係數變化 56 第四章 Seebeck coefficient 變號現象之討論 58 4-1前言 58 4-2量子點間庫倫交互作用(interdot Coulomb interaction)與Seebeck coefficient變號之關係 58 4-3量子點內庫倫交互作用(intradot Coulomb interaction)與Seebeck coefficient變號之關係 61 4-4改變量子點能階觀察Seebcek coefficient之變號現象 62 第五章 結論 66 參考文獻 68 圖目錄 圖 1-1 Seebeck 效應(熱電耦熱電元件) 3 圖 1-2 Peltier 效應示意圖 4 圖 1-3 Peltier 效應(熱電製冷器) 5 圖 2-1 本模擬串聯耦合量子點系統示意圖 10 圖 3-1調變電子跳躍強度t_AB，電導G_e，S(seebeck coefficient)，電子熱導к_e與溫度變化之關係圖 24 圖 3-2調變電子跳躍強度，S^2，G_e/к_e ，〖(ZT)〗_0與溫度變化之關係圖 26 圖 3-3 考量聲子熱導情況下，調變不同電子躍遷強度t_AB，к(熱導)，S，G_e隨溫度的變化圖 27 圖 3-4 к_e/к_ph 隨溫度變化圖 28 圖 3-5 考量聲子熱導時，不同t_AB情況下s^2，G_e/к隨溫度之變化 29 圖 3-6考量聲子熱導時，不同t_AB情況下Power factor，ZT隨溫度之變化 29 圖 3-7 G_e，S^2，к，ZT在k_B T=8.8Γ_0時，隨t_AB之變化圖 30 圖 3-8 k_B T=8.8Γ_0時，Power factor隨t_AB之變化圖 31 圖 3-9調變t_AB情況下，G_e，S，К隨能階變化之變化圖 32 圖 3-10調變t_AB情況下，S^2，G_e/к隨能階變化之變化圖 34 圖 3-11調變t_AB情況下ZT隨能階變化之變化圖 34 圖 3-12 調變能階情況下，S，G_e，к_e，(ZT)_0隨t_AB變化之變化圖 35 圖 3-13 調變能階情況下，S^2，G_e/к_e ，(ZT)_0隨t_AB變化之變化圖(能階較低) 36 圖 3-14調變能階情況下，S^2，G_e/к_e ，(ZT)_0隨t_AB變化之變化圖(能階較高) 37 圖 3-15在t_AB=0.1Γ_0情況下，E_(A(B))=E_F+20Γ_0到E_(A(B))=E_F+60Γ_0之G_e及к_e之變化 38 圖 3-16調變t_AB及庫倫交互作用情況下，以溫度為變數的к，S ，G_e之變化圖 41 圖 3-17調變t_AB及庫倫交互作用情況下，以溫度為變數的ZT值之變化圖 41 圖 3-18 在各種不同條件下之Lorentz number 42 圖 3-19 調變電子跳躍強度t_AB及庫倫交互作用的情況下，電導G_e，к〖，S〗^2隨能階變化之關係圖 43 圖 3-20調變電子跳躍強度t_AB及庫倫交互作用的情況下，ZT隨能階變化之關係圖 44 圖 3-21 在各種不同庫倫交互作用增加方式之情況下，ZT的變化圖(E_(A(B))=E_F+30Γ_0，k_B T=8.8Γ_0) 45 圖 3-22 在各種不同庫倫交互作用增加方式之情況下，ZT的變化圖(E_(A(B))=E_F+60Γ_0，k_B T=8.8Γ_0) 46 圖 3-23調變溫度的情況下，電導G_e，S，電子熱導к_e，ZT隨eV_g之變化圖(E_A(B) 小於E_F)(3-4-1節) 47 圖 3-24調變溫度下，S隨eV_g之變化圖(3-4-1節) 49 圖 3-25 k_B T=3Γ_0時調變庫倫交互作用下，電導G_e，S，電子熱導к_e，ZT隨eV_g之變化圖 51 圖 3-26增大庫倫交互作用情況下，調變不同溫度時，電導G_e，S，電子熱導к_e，ZT隨eV_g之變化圖(3-4-3節) 52 圖 3-27增大庫倫交互作用情況下，調變不同溫度時，Power Factor(G_e S^2)及к值隨eV_g之變化圖 53 圖 3-28考慮庫倫交互作用時，較高溫度的情況下，電導G_e，S，電子熱導к_e，ZT隨eV_g之變化圖 54 圖 3-29 考慮庫倫交互作用時，較高溫度的情況下Power Factor(G_e S^2)及к值隨eV_g之變化圖 55 圖 3-30忽略庫倫交互作用下，調變不同溫度時，電導G_e，S，電子熱導к_e，ZT隨eV_g之變化圖 56 圖 3-31忽略庫倫交互作用下，調變不同溫度時Power Factor(G_e S^2)及к值隨eV_g之變化圖 57 圖 4-1調變不同U_AB情況下，Seebeck coefficient 隨溫度之變化圖(E_(A(B))=E_F-10Γ_0) 59 圖 4-2調變不同U_(A(B))情況下，Seebeck coefficient 隨溫度之變化圖(E_(A(B))=E_F-10Γ_0) 61 圖 4-3調變不同U_AB情況下，Seebeck coefficient 隨溫度之變化圖(E_(A(B))=E_F-40Γ_0) 63 圖 4-4調變不同U_(A(B))情況下，Seebeck coefficient 隨溫度之變化圖(E_(A(B))=E_F-40Γ_0) 65 表目錄 表 2-1 電子總能(Hamiltonian)之算符與其物理意義 11 表 2-2 系統延遲格林函數之機率因子 14 表 3-1 3-4-1中閘極電壓與共振通道能階之關係 47 表 4-1圖4-1中U_AB=12Γ_0與圖4-3中U_AB=8Γ_0之共振通道能階位置之比較 63 表 4-2圖4-1中U_AB=8Γ_0與圖4-3中U_AB=12Γ_0之共振通道能階位置之比較 64 表 4-3圖4-1中U_AB=10Γ_0與圖4-3中U_AB=10Γ_0之共振通道能階位置之比較 64 表 4-4 圖4-4中不同U_(A(B))情況下，共振通道能階位置之比較 65
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指導教授	郭明庭(Ming-Ting Kuo)	審核日期	2012-7-3
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