Estudio de propiedades termoeléctricas en sistemas nanoestructurados: posibles condiciones para optimizar la eficiencia
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Autores
Aranguren Quintero, Daniel Felipe
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Español
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Resumen
El presente trabajo estudia y extiende, mediante argumentos de universalidad, el comportamiento térmico dentro del régimen Kondo, de las distintas propiedades termoeléctricas
tales como: La termopotencia, la conductancia eléctrica y la conductancia térmica, dentro
de nanoestructuras semiconductoras comprimidas. Aduciendo, a la fuerte evidencia tanto experimental como teórica de condiciones de universalidad para la conductancia eléctrica
zero − bias (sin potencial externo aplicado), en función de la temperatura normalizada
T∗ = T/TK, con TK actuando como la temperatura de Kondo.
Estudiamos, por medio del modelo de impureza de Anderson SIAM, un sistema idealizado
compuesto por un punto cuántico inmerso dentro un canal de conducción balístico (hilos
cuánticos). Para este sistema, se establece un mapeo lineal sobre el cual, se pueden expresar
los coeficientes de transporte termoeléctrico, en términos de la condición (universal) simétrica
partícula-hueco, junto a un cambio fase δ producto de los procesos de dispersión cuánticos.
Asimismo, bajo el grupo de renormalización numérica (NRG), se calculan los coeficientes
termoeléctricos para este sistema, permitiendo así, ilustrar tanto la física implícita en estos
procesos, como la validez del mapeo lineal, dentro de un variado rango de temperaturas. De
igual modo, se aplicaron los resultados obtenidos, para los coeficientes termoeléctricos en su
forma universal, sobre algunos resultados experimentales recientes, asociados a la conductancia eléctrica y el termo-voltaje Vgate dentro de un rango limitado de temperaturas en el
régimen Kondo. Logrando con esto, calcular todas las propiedades termoeléctricas derivadas
de los mismos, seguido de la obtención, de algunas expresiones analíticas simples, que pueden ser empleadas para predecir, validar y/o ajustar resultados experimentales. Sin embargo,
debido a la ausencia de mediciones experimentales, sobre las otras propiedades termoeléctricas dentro de un rango variado de temperaturas, no fue posible examinar la validez de los resultados para las mismas.
Por otro lado, empleando las relaciones universales obtenidas para los coeficientes de transporte termoeléctrico (Onsager), junto al parámetro de Mahan-Sofo. Se logra deducir una
expresión tal que permite, obtener condiciones que maximizan la figura térmica de mérito
multiplicada por la temperatura ZT en función del cambio de fase δ implícito, dentro del
régimen Kondo. Así, al evaluar esta expresión sobre el sistema de un único punto cúantico
inmerso entre dos hilos cuánticos, se encuentra que, bajo estas condiciones, es físicamente
imposible obtener un cambio de fase, que permita maximizar la eficiencia térmica de este
tipo de sistemas. De esta forma, se estudia mediante el método de aproximación atómica, un
sistema “mejorado” compuesto por dos puntos cuánticos acoplados no interactuantes entre
si, pero con fuerte correlación electrónica en cada punto cuántico. En este sistema, variando
la energía del primer punto cuántico (el Vgate en sistemas experimentales), mientras se mantiene el segundo punto cuántico en la condición simétrica (simetría-electrón-hueco), se logra
encontrar condiciones que replican el cambio de fase δ necesario para optimizar la figura
térmica de mérito ZT y por ende, la eficiencia termoeléctrica del sistema. (Texto tomado de la fuente)
Abstract
The present work studies and extends, by universality arguments, the thermal behavior on
the Kondo regime, for the different thermoelectric properties like: Thermopower, electrical
conductance and thermal conductance. Within compressed semiconductor nanostructures.
Adducing, to the strong experimental and theoretical evidence of universality conditions, for
the electrical conductance zero − bias (no external potential applied), as a function of the
normalized temperature T∗ =T/TK, where TK is the Kondo temperature.
Studying, by the single impurity model SIAM, on an idealized system composed of a quantum dot enbedded in a ballistic conduction channel (quantum wires). For this system, we
establish a linear mapping for the thermoelectric transport coefficients, allowing expressed
in terms of the universal symmetric particle-hole condition, together with a phase shift δ
product of the quantum scattering process. Likewise, under the numerical renormalization
group (NRG), the thermoelectric coefficients for this system are calculated, thus allowing
to illustrate both the physics implicit in these process, as well as the validity of the linear
mapping, within a wide range of temperatures. On the same way, applying the thermoelectric coefficients in their universal form, on some recent experimental results, associated with
the electrical conductance and the thermo-voltage Vgate on a limited temperature range in
the Kondo regime. Achieving with this, calculate all the thermoelectric properties derived
from them, followed by some simple analytical fit expressions, which can be used to predict,
validate and/or adjust experimental results. However, due to the absence of experimental
measurements for others thermoelectric properties within widdly range of temperatures, it
was not possible examine the validity of the results for them.
By other way, using the universal relationships obtained for the thermoelectric transport
coefficients (Onsager), together with the Mahan-Sofo parameter. It is possible to deduce an
expression such that it allows obtaining conditions that maximize the thermal figure of merit
multiplied by the temperature ZT as a function of the implicit phase shift δ. Thus, when
we evaluatate this expression on the system of a single quantum dot immersed between
two quantum wires, in the Kondo regime. We found that, under these conditions, it is
physically impossible to obtain a phase shift that allows maximizing the thermal efficiency
for this type of system. Then, using the atomic approximation method, on a “tuned” system composed of two coupled quantum dots whitout interdot correlation, but strongly correlated
in each quantum dot. On which, varying the energy level on the first quantum dot (the
Vgate in experimental systems), while maintaining the second quantum dot in the symmetric
electron-hole condition. It’s possible find, conditions that replicate the phase shift δ necessary
to optimize the thermal figure of merit ZT and therefore, the thermodynamic efficiency of
these type systems
Palabras clave propuestas
Universalidad; SET; Temperatura Kondo; Puntos cuánticos; Modelo de Anderson; Grupo de renormalización numérico; Termoelectricidad; Figura térmica de mérito; Eficiencia termoeléctrica; Coeficientes de transporte; Efecto Seebeck; Aproximación atómica; Universality; Kondo Temperature; Quantum Dots; Anderson Model; Numerical Renormalization Group; Atomic Approximation for the Anderson Model; Thermoelectricity; Thermal Figure of Merit; Thermoelectric Efficiency; Transport Coefficients; Seebeck Effect
Descripción
ilustraciones, graficas