In this paper, we investigate the phonon transport in silicon nanocomposites using Monte Carlo simulations considering frequency-dependent phonon mean free paths, and combine the phonon modeling with electron modeling to predict the thermoelectric figure of merit (ZT) of silicon nanocomposites. The model shows that while grain interface scattering of phonons is negligible for large grain sizes around 200 nm, ZT can reach 1.0 at 1173 K if the grain size can be reduced to 10 nm. Our results show the potential of obtaining a high ZT in bulk silicon by the nanocomposite approach.

1.
H. J.
Goldsmid
,
Thermoelectric Refrigeration
(
Plenum
,
New York
,
1964
).
2.
K. F.
Hsu
,
S.
Loo
,
F.
Guo
,
W.
Chen
,
J. S.
Dyck
,
C.
Uher
,
T.
Hogan
,
E. K.
Polychroniadis
, and
M. G.
Kanatzidis
,
Science
303
,
818
(
2004
).
3.
B.
Poudel
,
Q.
Hao
,
Y.
Ma
,
Y. C.
Lan
,
A.
Minnich
,
B.
Yu
,
X.
Yan
,
D. Z.
Wang
,
A.
Muto
,
D.
Vashaee
,
X. Y.
Chen
,
J. M.
Liu
,
M. S.
Dresselhaus
,
G.
Chen
, and
Z. F.
Ren
,
Science
320
,
634
(
2008
).
4.
G. H.
Zhu
,
H.
Lee
,
Y. C.
Lan
,
X. W.
Wang
,
G.
Joshi
,
D. Z.
Wang
,
J.
Yang
,
D.
Vashaee
,
H.
Guilbert
,
A.
Pillitteri
,
M. S.
Dresselhaus
,
G.
Chen
, and
Z. F.
Ren
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
196803
(
2009
).
5.
G.
Joshi
,
H.
Lee
,
Y. C.
Lan
,
X. W.
Wang
,
G. H.
Zhu
,
D. Z.
Wang
,
R. W.
Gould
,
D. C.
Cuff
,
M. Y.
Tang
,
M. S.
Dresselhaus
,
G.
Chen
, and
Z. F.
Ren
,
Nano Lett.
8
,
4670
(
2008
).
6.
X. W.
Wang
,
H.
Lee
,
Y. C.
Lan
,
G. H.
Zhu
,
G.
Joshi
,
D. Z.
Wang
,
J.
Yang
,
A. J.
Muto
,
M. Y.
Tang
,
J.
Klatsky
,
S.
Song
,
M. S.
Dresselhaus
,
G.
Chen
, and
Z. F.
Ren
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
193121
(
2008
).
7.
A.
Minnich
,
M. S.
Dresselhaus
,
Z. F.
Ren
, and
G.
Chen
,
Energy Environ. Sci.
2
,
466
(
2009
).
8.
S. K.
Bux
,
R. G.
Blair
,
P. K.
Gogna
,
H.
Lee
,
G.
Chen
,
M. S.
Dresselhaus
,
R. B.
Kaner
, and
J. P.
Fleurial
,
Adv. Funct. Mater.
19
,
2445
(
2009
).
9.
D.
Song
and
G.
Chen
,
Appl. Phys. Lett.
84
,
687
(
2004
).
10.
Q.
Hao
,
G.
Chen
, and
M. S.
Jeng
,
J. Appl. Phys.
106
,
114321
(
2009
).
11.
G.
Chen
,
Nanoscale Energy Transport and Conversion: A Parallel Treatment of Electrons, Molecules, Phonons, and Photons
(
Oxford University Press
,
New York
,
2005
).
12.
A.
Henry
and
G.
Chen
,
J. Comput. Theor. Nanosci.
5
,
141
(
2008
).
13.
P. G.
Klemens
,
Proc. Phys. Soc. London
68
,
1113
(
1955
).
14.
S.
Uma
,
A. D.
McConnell
,
M.
Asheghi
,
K.
Kurabayashi
, and
K. E.
Goodson
,
Int. J. Thermophys.
22
,
605
(
2001
).
16.
E. O.
Kane
,
J. Phys. Chem. Solids
1
,
249
(
1957
).
17.
J.
Kołodziejczak
,
Acta Physiol. Pol.
20
,
289
(
1961
).
18.
E. T.
Swartz
and
R. O.
Pohl
,
Rev. Mod. Phys.
61
,
605
(
1989
).
19.
A.
Maiti
,
G. D.
Mahan
, and
S. T.
Pantelides
,
Solid State Commun.
102
,
517
(
1997
).
20.
M.
Lundstrom
,
Fundamentals of Carrier Transport
(
Oxford University Press
,
New York
,
2000
).
21.
C. D.
Thurmond
,
J. Electrochem. Soc.
122
,
1133
(
1975
).
22.
V. I.
Fistul
,
Heavily Doped Semiconductors
(
Plenum
,
New York
,
1969
).
23.
A.
Minnich
,
H.
Lee
,
X. W.
Wang
,
G.
Joshi
,
M. S.
Dresselhaus
,
Z. F.
Ren
,
G.
Chen
, and
D.
Vashaee
,
Phys. Rev. B
80
,
155327
(
2009
).
You do not currently have access to this content.