We have shown theoretically that a combination of cross-section modulation and acoustic mismatch in the core-shell Si/Ge nanowires can lead to a drastic reduction of the thermal conductivity. Our calculations, which utilized two different models–five-parameter Born-von Karman and six-parameter valence force field—for the lattice vibrations, indicate that the room temperature thermal conductivity of Si/Ge cross-section modulated nanowires is almost three orders of magnitude lower than that of bulk Si. Thermal flux in the modulated nanowires is suppressed by an order of magnitude in comparison with generic Si nanowires. The effect is explained by modification of the phonon spectra in modulated nanowires leading to decrease of the phonon group velocities and localization of certain phonon modes in narrow or wide nanowire segments. The thermal conductivity inhibition is achieved in nanowires without additional surface roughness and, thus, potentially reducing degradation of the electron transport. Our results suggest that the acoustically mismatched cross-section modulated nanowires are promising candidates for thermoelectric applications.

1.
M. A.
Stroscio
and
M.
Dutta
,
Phonons in Nanostructures
(
Cambridge University Press
,
Cambridge
,
2001
).
2.
A. A.
Balandin
,
J. Nanosci. Nanotechnol.
5
,
1015
(
2005
).
3.
A. A.
Balandin
,
E. P.
Pokatilov
, and
D. L.
Nika
,
J. Nanoelectron. Optoelectron.
2
,
140
(
2007
).
4.
A. A.
Balandin
and
D. L.
Nika
,
Mater. Today
15
,
266
(
2012
).
5.
A.
Balandin
and
K. L.
Wang
,
Phys. Rev. B
58
,
1544
(
1998
).
6.
E. P.
Pokatilov
,
D. L.
Nika
, and
A. A.
Balandin
,
Superlattices Microstruct.
33
,
155
(
2003
).
7.
N.
Mingo
,
L.
Yang
,
D.
Li
, and
A.
Majumdar
,
Nano Lett.
3
,
1713
(
2003
).
8.
9.
E. P.
Pokatilov
,
D. L.
Nika
, and
A. A.
Balandin
,
Phys. Rev. B
72
,
113311
(
2005
).
10.
N.
Bannov
,
V.
Aristov
,
V.
Mitin
, and
M. A.
Stroscio
,
Phys. Rev. B
51
,
9930
(
1995
).
11.
M. A.
Stroscio
,
Phys. Rev. B
40
,
6428
(
1989
).
12.
R.
Mickevicius
and
V.
Mitin
,
Phys. Rev. B
48
,
17194
(
1993
).
13.
R.
Mickevicius
,
V.
Mitin
,
U. K.
Harithsa
,
D.
Jovanovic
, and
J. P.
Leburton
,
J. Appl. Phys.
75
,
973
(
1994
).
14.
A.
Svizhenko
,
A.
Balandin
,
S.
Bandyopadhyay
, and
M. A.
Stroscio
,
Phys. Rev. B
57
,
4687
(
1998
).
15.
A.
Svizhenko
,
S.
Bandyopadhyay
, and
M. A.
Stroscio
,
J. Phys.: Condens. Matter
10
,
6091
(
1998
).
16.
E. P.
Pokatilov
,
D. L.
Nika
, and
A. A.
Balandin
,
J. Appl. Phys.
95
,
5626
(
2004
).
17.
J. B.
Kurgin
and
G.
Sun
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
191106
(
2009
).
18.
A.
Balandin
and
K. L.
Wang
,
J. Appl. Phys.
84
,
6149
(
1998
).
19.
A.
Khitun
,
A.
Balandin
, and
K. L.
Wang
,
Superlattices Microstruct.
26
,
181
(
1999
).
20.
J.
Zou
and
A.
Balandin
,
J. Appl. Phys.
89
,
2932
(
2001
).
21.
V. A.
Fonoberov
and
A. A.
Balandin
,
Nano Lett.
6
,
2442
(
2006
).
22.
D. L.
Nika
,
E. P.
Pokatilov
, and
A. A.
Balandin
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
173111
(
2008
).
23.
N. D.
Zincenco
,
D. L.
Nika
,
E. P.
Pokatilov
, and
A. A.
Balandin
,
J. Phys.: Conf. Ser.
92
,
012086
(
2007
).
24.
D.
Li
,
Y.
Wu
,
P.
Kim
,
L.
Shi
,
P.
Yang
, and
A.
Majumdar
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
3186
(
2003
).
25.
E. P.
Pokatilov
,
D. L.
Nika
, and
A. A.
Balandin
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
825
(
2004
).
26.
D. L.
Nika
,
N. D.
Zincenco
, and
E. P.
Pokatilov
,
J. Nanoelectron. Optoelectron.
4
,
180
(
2009
).
27.
M.
Hu
,
K. P.
Giapis
,
J. V.
Goicochea
,
X.
Zhang
, and
D.
Poulikakos
,
Nano Lett.
11
,
618
(
2011
).
28.
K.
Bi
,
J.
Wang
,
Y.
Wang
,
J.
Sha
,
Z.
Wang
,
M.
Chen
, and
Y.
Chen
,
Phys. Lett. A
376
,
2668
(
2012
).
29.
Y.
He
and
G.
Galli
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
215901
(
2012
).
30.
A. I.
Boukai
,
Y.
Bunimovich
,
J.
Tahir-Kheli
,
J.-K.
Yu
,
W. A.
Goddard
 III
, and
J. R.
Heath
,
Nature
451
,
168
(
2008
).
31.
A. I.
Hochbaum
,
R.
Chen
,
R. D.
Delgado
,
W.
Liang
,
E. C.
Garnett
,
M.
Najarian
,
A.
Majumdar
, and
P.
Yang
,
Nature
451
,
163
(
2008
).
32.
M. C.
Wingert
,
Z. C. Y.
Chen
,
E.
Dechaumphai
,
J.
Moon
,
J.-H.
Kim
,
J.
Xiang
, and
R.
Chen
,
Nano Lett.
11
,
5507
(
2011
).
33.
J.
Cuffe
,
E.
Chavez
,
A.
Shchepetov
,
P.-O.
Chapuis
,
E. H. E.
Boudoutie
,
F.
Alzina
,
T.
Kehoe
,
J.
Gomis-Bresco
,
D.
Dudek
,
Y.
Pennec
,
B.
Djafari-Rouhani
,
M.
Prunnila
,
J.
Ahopelto
, and
C. M.
Sotomayor Torres
,
Nano Lett.
12
,
3569
(
2012
).
34.
W. L.
Johnson
,
S. A.
Kim
,
R.
Geiss
,
C. M.
Flannery
,
K. A.
Bertness
, and
P. R.
Heyliger
,
Nanotechnology
23
,
495709
(
2012
).
35.
E. P.
Pokatilov
,
D. L.
Nika
, and
A. A.
Balandin
,
Superlatt. Microstruct.
38
,
168
(
2005
).
36.
E. B.
Ramayaa
,
D.
Vasileska
,
S. M.
Goodnick
, and
I.
Knezevic
,
J. Appl. Phys.
104
,
063711
(
2008
).
37.
S.
Jin
,
M. V.
Fischetti
, and
T.-W.
Tang
,
J. Appl. Phys.
102
,
083715
(
2007
).
38.
X.
Zianni
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
233106
(
2010
).
39.
X.
Zianni
,
Nanoscale Res. Lett.
6
,
286
(
2011
).
40.
G. D.
Sulka
,
A.
Brzozka
, and
L.
Liu
,
Electrochim. Acta
56
,
4972
(
2011
).
41.
P.
Caroff
,
K. A.
Dick
,
J.
Johansson
,
M. E.
Messing
,
K.
Deppert
, and
L.
Samuelson
,
Nat. Nanotechnol.
4
,
50
(
2009
).
42.
L.-T.
Fu
,
Z.-G.
Chen
,
J.
Zou
,
H.-T.
Cong
, and
G.-Q.
Lu
,
J. Appl. Phys.
107
,
124321
(
2010
).
43.
D. S.
Oliveira
,
J. H. G.
Tizei
,
D.
Ugarte
, and
M. A.
Cotta
,
Nano Lett.
13
,
9
(
2013
).
44.
S. K.
Lim
,
S.
Crawford
,
G.
Haberfehlner
, and
S.
Gradecak
,
Nano Lett.
13
,
331
(
2013
).
45.
D. L.
Nika
,
A. I.
Cocemasov
,
C. I.
Isacova
,
A. A.
Balandin
,
V. M.
Fomin
, and
O. G.
Schmidt
,
Phys. Rev. B
85
,
205439
(
2012
).
46.
D. L.
Nika
,
A. S.
Askerov
, and
A. A.
Balandin
,
Nano Lett.
12
,
3238
(
2012
).
47.
D. V.
Crismari
and
D. L.
Nika
,
J. Nanoelectron. Optoelectron.
7
,
701
(
2012
).
48.
A. I.
Cocemasov
and
D. L.
Nika
,
J. Nanoelectron. Optoelectron.
7
,
370
(
2012
).
49.
P.
Giannozzi
,
S.
de Gironcoli
,
P.
Pavone
, and
S.
Baroni
,
Phys. Rev. B
43
,
7231
(
1991
).
50.
G.
Nilsson
and
G.
Nelin
,
Phys. Rev. B
3
,
364
(
1971
).
51.
D. L.
Nika
,
E. P.
Pokatilov
,
A. A.
Balandin
,
V. M.
Fomin
,
A.
Rastelli
, and
O. G.
Schmidt
,
Phys. Rev. B
84
,
165415
(
2011
).
52.
P. N.
Martin
,
Z.
Aksamija
,
E.
Pop
, and
U.
Ravaiolli
,
Nano Lett.
10
,
1120
(
2010
).
53.
P. G.
Klemens
,
Thermochim. Acta
218
,
247
(
1993
).
54.
J. M.
Ziman
,
Electrons and Phonons
(
Clarendon Press
,
Oxford
,
2001
), p.
463
.
55.
C.
Glassbrenner
and
G.
Slack
,
Phys. Rev.
134
,
A1058
(
1964
).
56.
Z.
Aksamija
and
I.
Knezevic
,
Phys. Rev. B
82
,
045319
(
2010
).
57.
Z.
Aksamija
and
I.
Knezevic
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
141919
(
2011
).
58.
D.
Donadio
and
G.
Galli
,
Nano Lett.
10
,
847
(
2010
).
59.
D.
Donadio
and
G.
Galli
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
195901
(
2009
).
60.
A. A.
Balandin
and
O. L.
Lazarenkova
,
Appl. Phys. Lett.
82
,
415
(
2003
).
61.
G.
Pernot
,
M.
Stoffel
,
I.
Savic
,
F.
Pezzoli
,
P.
Chen
,
G.
Savelli
,
A.
Jacquot
,
J.
Schumann
,
U.
Denker
,
I.
Monch
,
C.
Deneke
,
O. G.
Schmidt
,
J. M.
Rampnoux
,
S.
Wang
,
M.
Plissonnier
,
A.
Rastelli
,
S.
Dilhaire
, and
N.
Mingo
,
Nature Mater.
9
,
491
(
2010
).
You do not currently have access to this content.