我们提出了一个连续介质理论来分析压电半导体中热电场和机械场之间的相互作用。在参考构型中给出了平衡规律和耗散不等式。通过引入广义菲克定律，导出了包括漂移扩散电流、热通量傅立叶定律、塞贝克效应和珀尔帖效应在内的热力学一致本构方程。结合能量平衡和第二吉布斯关系，导出了半导体效应下的热传导方程和焦耳热的产生。该框架在几何上线性化，适用于小变形的晶体。基于新建立的框架，确定了6mm级晶体中热电场和机械场之间的两种新的耦合机制。1)机械载荷可以通过机械感应势阱阻挡载荷区内的电流和热流。在1%的应变水平下，电流和热流可以减少多达80%。这种效应有利于设计新的开关器件。2)令人惊讶的是，机械载荷可以通过感应势垒充当电流放大器。此外，利用焦耳热可以产生热偶极子，这表明机械载荷可以导致局部制冷。通过一个简单的数值模型，我们证明了在1%左右的应变水平下，机械变形可以产生0.06 K的温差。在新的制冷机制的基础上，我们进一步提出了一种新型多级金字塔形级联制冷装置。本文的框架为分析半导体结构中的多物理场问题提供了基础，也为开关和制冷器件提供了潜在的思路。由于该框架是基于有限变形理论，将有助于分析新兴柔性半导体材料的行为或开发相应的计算方法。

 
图1. 由扫描探针施加在压电薄膜上的机械力。

 
图2. 机械加载区周围的电势和电流。(a)电势。(b)电流。

 
图3. 热-电-弹性半导体的参考构型(B₀)和当前构型(B_t)。

 
图4. 一种热电Mindlin板(c轴沿板厚X₃方向)。

 
图5. 机械加载区域。

 
图6. 中心小矩形加载区域内机械载荷诱导的ZnO板中的场分布。(a)静电势。(b)温度变化。(c)电流密度。(d)热流密度。

 
图7. 大矩形加载区域内均布载荷诱导的ZnO板中的场分布。(a)静电势。(b)温度变化。(c)电流密度。(d)热流密度。

 
图8. 不同机械载荷大小(a)和不同机械载荷区域(宽度)(b)沿截面X₁ =0.5a₁的电流大小。

 
图9. 电流和热流与(a)不同大小的机械载荷、(b)不同宽度的机械加载区域的关系。

 
图10. 当a₀ = 90 nm, b₀ = 30 nm时，反向机械载荷,诱导ZnO板中的场分布。(a)静电势。(b)温度变化。(c)电流密度。(d)热流密度。

 
图11. 体热源分布。

 
图12. 最大温差θ与机械载荷的大小的关系。

 
图13. 三级热电级联示意图，第一层在上，第三层在下。

       相关研究成果由西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室、京都大学机械工程与科学系Yilin Qu等人于2023年发表在International Journal of Engineering Science (https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2022.103775 )上。原文：Modeling thermoelectric effects in piezoelectric semiconductors: New fully coupled mechanisms for mechanically manipulated heat flux and refrigeration。

转自《石墨烯研究》公众号