光子驅(qū)動(dòng)量子點(diǎn)制冷機(jī)*

李唯 符婧 楊贇贇 何濟(jì)洲

(南昌大學(xué)物理系,南昌 330031)

提出了由兩個(gè)二能級量子點(diǎn)、一個(gè)光子庫與兩個(gè)導(dǎo)體端構(gòu)成的光子驅(qū)動(dòng)量子點(diǎn)制冷機(jī)模型.基于主方程,導(dǎo)出了制冷機(jī)的制冷率和制冷系數(shù)的表達(dá)式,獲得了制冷機(jī)處于緊耦合時(shí)所滿足的條件.接著,數(shù)值模擬出該制冷機(jī)處于緊耦合和一般情況下制冷率與制冷系數(shù)之間的性能特征圖,確定了制冷機(jī)性能的優(yōu)化范圍.最后,以最大制冷率、最大制冷率下的制冷系數(shù)、最大制冷系數(shù)和最大制冷系數(shù)下的制冷率作為優(yōu)化目標(biāo),分析了光子庫溫度、躍遷系數(shù)和溫比對制冷機(jī)性能的影響.

1 引 言

相對于傳統(tǒng)的熱機(jī)而言,熱電器件具有結(jié)構(gòu)輕便、體積小、無運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)和汽車尾氣廢熱回收、太陽能電池開發(fā)、計(jì)算機(jī)芯片散熱與制冷等方面有廣泛的應(yīng)用前景[1].但是,相對低的熱電轉(zhuǎn)換效率或輸出功率又限制了熱電器件的商業(yè)化應(yīng)用.因此,人們一直在致力于尋找高熱電優(yōu)值的熱電材料(高電傳導(dǎo)、低熱傳導(dǎo)),如量子阱、超晶格、量子點(diǎn)、硅納米線、碳納米管、分子結(jié)等納米熱電材料[2-4].近年來,三端結(jié)構(gòu)納米熱電效應(yīng)和熱電裝置性能的研究,在理論[5-24]與實(shí)驗(yàn)[23-28]方面引起了研究人員的極大興趣,成為納米能量轉(zhuǎn)換器件研究的熱點(diǎn).

例如Cleuren等[29]提出了一種利用光子直接進(jìn)行制冷的光子驅(qū)動(dòng)納米制冷機(jī).這種裝置沒有運(yùn)動(dòng)部件,也沒有凈電流,制冷是“冷”電子取代“熱”電子的結(jié)果.然而,Amikam 等[30]認(rèn)為 Cleuren 等人在處理量子點(diǎn)間的電子傳輸時(shí),忽略了量子點(diǎn)之間的電子躍遷.Wang等[31]研究了一種光子驅(qū)動(dòng)四能級制冷機(jī)裝置,該裝置由兩個(gè)玻色庫與一個(gè)四能級系統(tǒng)連接而成,由光子驅(qū)動(dòng)進(jìn)行制冷.基于前人的工作,我們考慮了單量子點(diǎn)內(nèi)不同能級間的電子躍遷,提出了光子驅(qū)動(dòng)量子點(diǎn)制冷機(jī)新模型,分析了該光子驅(qū)動(dòng)納米制冷機(jī)的熱力學(xué)性能,并討論了主要參數(shù)對制冷機(jī)的優(yōu)化性能影響.

2 模型與理論分析

光子驅(qū)動(dòng)量子點(diǎn)制冷機(jī)模型如圖1所示.制冷機(jī)由兩個(gè)導(dǎo)體端,一個(gè)光子庫和兩個(gè)量子點(diǎn)系統(tǒng)組成.兩個(gè)導(dǎo)體庫的溫度分別是TL,TR與光子庫的溫度TS之間的關(guān)系滿足TS＞TL＞TR,且兩個(gè)導(dǎo)體庫的化學(xué)勢相同μl=μr=μ.左邊量子點(diǎn)只與左導(dǎo)體庫耦合,右邊量子點(diǎn)只與右導(dǎo)體庫耦合.每個(gè)量子點(diǎn)都具有較低和較高的兩個(gè)能級,且兩個(gè)量子點(diǎn)的高能級的能級差和低能級的能級差相同.在這個(gè)模型中,量子點(diǎn)之間的電子躍遷是由光子驅(qū)動(dòng)的.在高溫光子的影響下,“冷”電子通過兩個(gè)量子點(diǎn)的較低能級從左導(dǎo)體庫向右導(dǎo)體庫傳輸,同時(shí)“熱”電子通過兩個(gè)量子點(diǎn)的較高能級向相反的方向傳輸.對右導(dǎo)體庫來說,“冷”電子替換了“熱”電子,對其起到制冷的效果.這里的“冷”、“熱”電子分別代表著能級低于費(fèi)米能級(或化學(xué)勢)εF=μ,和能級高于費(fèi)米能級εF的電子.同時(shí),考慮單個(gè)量子點(diǎn)不同能級間電子躍遷是由聲子驅(qū)動(dòng)的.左量子點(diǎn)上電子從高能級向低能級躍遷放出熱量給左庫,同時(shí)右量子點(diǎn)上電子從低能級向高能級躍遷從右?guī)煳諢崃?同樣對右?guī)煊兄评涞男Ч?圖中黑色雙向箭頭表示電子的隧穿,棕色波浪線表示由光子驅(qū)動(dòng)引起的電子躍遷,紅色波浪線表示由聲子驅(qū)動(dòng)引起的電子躍遷.

圖1 光子驅(qū)動(dòng)量子點(diǎn)制冷機(jī)模型圖Fig.1.A model of a quantum dot refrigerator driven by photon.

在弱耦合的情況下(Γ ?kBT )電子的傳輸過程可以描述為序貫隧穿,系統(tǒng)量子態(tài)的占有幾率隨時(shí)間的變化可以由主方程表示,即P=MPi(i=0,l1,l2,r1,r2),其中

ki←j(i,j=0,l1,l2,r1,r2)為從j態(tài)到i態(tài)的傳輸幾率.根據(jù)費(fèi)米黃金定則,傳輸幾率分別為:

其中,比例常數(shù) Γi(i=l1,l2,r1,r2) 是導(dǎo)體庫和量子點(diǎn)間的耦合系數(shù),ki←0表示電子由左(右)導(dǎo)體庫傳輸?shù)阶?右)量子點(diǎn)的幾率,而 k0←j表示電子由左(右)量子點(diǎn)傳輸?shù)阶?右)導(dǎo)體庫的幾率.

其中,ΓS是兩個(gè)量子點(diǎn)之間的耦合系數(shù),而 Γnr是單個(gè)量子點(diǎn)內(nèi)電子在兩個(gè)能級間的躍遷系數(shù);(6)和(7)式表示的是電子在兩個(gè)量子點(diǎn)之間的傳輸幾率,而(8)和(9)式表示的是電子在單個(gè)量子點(diǎn)內(nèi)兩個(gè)能級之間的傳輸幾率;εg=εl2- εr2=εr1- εl1為能級差.

從左量子點(diǎn)低能級向右量子點(diǎn)低能級躍遷的電子流為

從右量子點(diǎn)高能級向左量子點(diǎn)高能級躍遷的電子流為

從左量子點(diǎn)內(nèi)高能級向低能級躍遷的電子流為

從右量子點(diǎn)內(nèi)低能級向高能級躍遷的電子流為

J1=Jl1+Jl2表示從左導(dǎo)體庫流出的凈電子流,J2=Jr1+Jr2表示流入右導(dǎo)體庫的凈電子流,系統(tǒng)遵守電子流守恒,則 J1=J2.電子流JS1=Jl1+Jnr1分為兩部分,一部分是來自左導(dǎo)體庫的電子流,另一部分是左量子點(diǎn)高能級向低能級躍遷的電子流.同理電子流之間的關(guān)系為JS1=Jl1+Jnr1=

利用上述穩(wěn)態(tài)時(shí)電子流的表達(dá)式,可以獲得電子在傳輸過程中引起的熱量交換.從左、右導(dǎo)體庫流出的熱流和從光子庫吸收的熱流的具體表達(dá)式為:

熱力學(xué)力為 FR=1/TL-1/TR,FS=1/TL-1/TS,且其范圍滿足 FR≤0,FS＞0.利用 (21)和 (22)式可以得到制冷系數(shù)的表達(dá)式為

可以理解為: 式中第一部分是熱機(jī)在溫度為 TL和TS的熱源之間工作時(shí),熱機(jī)的卡諾效率被熵產(chǎn)生率相關(guān)因子降低,這個(gè)因子是對所涉及過程的不可逆性的衡量;第二部分是工作在溫度為 TL和TR的熱源之間的制冷機(jī)在可逆工作狀態(tài)下的制冷系數(shù).當(dāng)熵產(chǎn)生率為零=0,制冷機(jī)達(dá)到可逆工作狀態(tài),其制冷系數(shù)為可逆值

當(dāng)兩個(gè)熱力學(xué)力 FR,FS同時(shí)為零時(shí),熵產(chǎn)生率為零=0,制冷機(jī)達(dá)到可逆狀態(tài),但這個(gè)條件意味著系統(tǒng)達(dá)到完全平衡 TL=TR=TS,失去了物理意義.另外,通過對參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,使得制冷機(jī)內(nèi)各個(gè)熱流之間互成比例關(guān)系,也就是緊耦合條件[32-34].經(jīng)分析可得以下兩種情況,使制冷機(jī)處于緊耦合條件下:

1) 當(dāng)化學(xué)勢滿足 μ=(εr1+εr2)/2 時(shí),根據(jù)各個(gè)電子流之間的關(guān)系,(18)—(20)式可以化簡為

2)調(diào)節(jié)參數(shù)使得 J1=J2=0,此時(shí)其他電子流之間還存在的關(guān)系,因此同樣成比例關(guān)系.

在這兩個(gè)條件下制冷系數(shù)都為

只與能級(εg,εr1,εr2)有關(guān).熵產(chǎn)生率可以表達(dá)為當(dāng) η FR+FS=0 時(shí),熵產(chǎn)生率達(dá)到=0.因此,只要模型參數(shù)滿足關(guān)系:制冷機(jī)工作在可逆狀態(tài).而緊耦合條件下模型參數(shù)的取值范圍為

3 性能特征分析

利用 (26)和 (28)式,通過數(shù)值模擬,可以分析制冷機(jī)的性能特征.圖2和圖3分別是緊耦合條件下在不同光子庫溫度TS和不同躍遷系數(shù)Γnr下,改變能級 εr2得到的制冷率和制冷系數(shù)之間的關(guān)系特征曲線圖.做圖中,緊耦合條件利用的是μ=(εr1+εr2)/2 的 情況.為方便起見,我們?nèi)ˇ?kB=0K 0 K,則 εr1=-εr2.其他參數(shù)的選取為 εg/kB=2K,Γl1=Γl2=Γr1=Γr2=ΓS=Γ,TL=8K,TR=4K.能級 εr2的取值范圍可以利用條件=0 來確定.從圖形來看,特征曲線是類似拋物線的開型曲線,制冷機(jī)的性能系數(shù)可以達(dá)到可逆值 ηr.溫度 TS增大時(shí),最大制冷率和最大制冷系數(shù)也增大;增大躍遷 系數(shù) Γnr,最大制 冷率也增大.一般 地,利 用(19)和(21)式,可以做出不同光子庫溫度 TS和不同躍遷系數(shù) Γnr下制冷率與制冷系數(shù)的特征曲線,即圖4和5.同樣改變能級 εr2的值,且利用制冷率為零的條件確定它的范圍,化學(xué)勢取 μ/kB=0K,能級 εr1/kB=-1K,其他參數(shù)不變.從圖形可以看到,特征曲線是封閉的閉合曲線,起點(diǎn)和終點(diǎn)都在原點(diǎn)上,制冷機(jī)不能達(dá)到可逆工作狀態(tài).躍遷系數(shù)Γnr越小,最大制冷率下的制冷系數(shù) ηQR與最大制冷系數(shù) ηmax的值越接近,即可以在得到最大制冷率的同時(shí)得到較大的制冷系數(shù).最大制冷率下的制冷系數(shù) ηQR,和最大制冷系數(shù) ηmax下的制冷率都可以通過數(shù)值模擬的方法計(jì)算.作為制冷機(jī)應(yīng)該盡可能獲得較大的制冷率和制冷系數(shù),因此,制冷機(jī)的優(yōu)化范圍為:

圖2 緊耦合條件下制冷率與制冷系數(shù)在不同溫度 TS 下的關(guān)系Fig.2.The relation curves of the cooling rate and the coefficient of performance at different temperature TS under the condition of tight coupling.

圖3 緊耦合條件下制冷率與制冷系數(shù)在不同躍遷系數(shù)Γnr下的關(guān)系Fig.3.The relation curves of the cooling rate and the coefficient of performance at different transition coefficientΓnr under the condition of tight coupling.

圖4 一般情況下制冷率與制冷系數(shù)在不同溫度 TS 下的關(guān)系Fig.4.The relation curves of the cooling rate and the coefficient of performance at different temperature TS in the general case.

圖5 一般情況下制冷率與制冷系數(shù)在不同躍遷系數(shù)Γnr下的關(guān)系Fig.5.The relation curves of the cooling rate and the coefficient of performanceat different transition coefficientΓnr in the general case.

4 優(yōu)化性能分析

利用(19)—(21)式和極值條件

圖6 在不同溫度 TS 下,兩個(gè)優(yōu)化性能參數(shù) 和 ηQR隨溫比的變化Fig.6.The curves of two optimal performance parameters and ηQR changing with the temperature ratio at different temperature TS.

圖7 在不同躍遷系數(shù) Γnr 下,兩個(gè)優(yōu)化性能參數(shù)和ηQR隨著溫比的變化Fig.7.The curves of two optimal performance parameters and ηQR changing with the temperature ratio at different transition coefficient Γnr.

圖8 在不同溫度 TS 下,兩個(gè)優(yōu)化性能參數(shù) 和 ηQR隨溫比的變化Fig.8.The curves of two optimalperformance parametersand ηQR changing with the temperature ratio at different temperature TS.

圖9 在不同躍遷系數(shù) Γnr 下,兩個(gè)優(yōu)化性能參數(shù)和ηQR隨著溫比的變化Fig.9.The curves of two optimal performance parameters and ηQR changing with the temperature ratio at different transition coefficient Γnr.

圖10 在不同溫度TS下,兩個(gè)優(yōu)化性能參數(shù)ηmax和隨溫比的變化Fig.10.The curves of two optimal performance parameters ηmaxand changing with the temperature ratio at different temperature TS.

5 結(jié) 論

本文主要研究結(jié)果如下:

1)通過分析,達(dá)到緊耦合的情況有兩種,一是使化學(xué)勢μ與能級εr2,εr1滿足μ=(εr1+εr2)/2,但其凈電子流不為零;二是使凈電子流Jl1+Jl2為零;

2)在緊耦合條件下,制冷率和制冷系數(shù)之間的性能特征圖為開型,制冷機(jī)可以達(dá)到可逆狀態(tài);最大制冷率和對應(yīng)的制冷系數(shù)都隨光子庫溫度的增大而增大;最大制冷率隨躍遷系數(shù)的增大而增大,而對應(yīng)的制冷系數(shù)隨躍遷系數(shù)的增大而減小;因此合理選擇光子庫溫度、躍遷系數(shù)和溫比可以提高制冷機(jī)的性能;

3)在一般情況下,制冷率和制冷系數(shù)之間的性能特征圖為閉型,制冷機(jī)不能達(dá)到可逆狀態(tài);優(yōu)化性能參數(shù)有類似于緊耦合條件下的結(jié)論.