CN112313807A - 适于降低的热传输的声子超构材料 - Google Patents
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Abstract
提供了用于降低至少部分结晶的基体材料中群速度和热导率的声子超构材料和方法，例如用于热电能量转换。在一个实施方式中，提供了用于降低通过至少部分结晶的基体材料的热导率的方法。在另一实施方式中，提供了声子超构材料结构。在这个实施方式中的声子超构材料结构包括：至少部分结晶的基体材料，其被构造为允许多个声子运动从而提供通过基体材料的热传导；和经由至少一种相对柔性或软的材料(例如石墨、橡胶或聚合物)与至少部分结晶的基体材料耦合的至少一种材料(例如作为夹杂物、延伸亚结构、外基质、对重的内部夹杂物的涂层等)。构造夹杂物、延伸亚结构基体或涂层材料以通过共振材料内至少一个原子的振荡产生至少一个振动模态，从而与在基体材料内运动的多个声子相互作用并且减慢至少一部分相互作用的声子的群速度并且降低通过基体材料的热导率。
Description
相关申请的交叉引用
本申请是2018年4月18日提交的题目为“PHONONIC METAMATERIALS ADAPTED FORREDUCED THERMAL TRANSPORT”的US 15/956,289的PCT申请，US 15/956,289为2016年10月10日提交的并且题目为“Phononic Metamaterials Comprising Atomically DisorderedResonators”的美国专利申请号15/289,921的部分延续。本申请是2016年8月16日提交的并且题目为“Phonononic Metamaterials”的美国专利申请号15/238,711的部分延续，美国专利申请号15/238,711为2014年4月7日提交的并且题目为“NanophonononicMetamaterials”的美国专利申请号14/247,228的部分延续，美国专利申请号14/247,228要求2013年4月7日提交的并且题目为“Lattice Dynamics and Thermal TransportProperties of Nanophononic Materials”的美国临时申请号61/809,399的权益。列出的每个申请通过引用并入本文，如同本文完全列出。
背景技术
a.领域
本申请公开了涉及降低在至少部分晶态的基体材料内行进的声子的群速度的许多方法、材料和装置。群速度降低的一个目的例如可以是降低热导率；另一个可以是改进热电能量转换品质因数。
b.背景技术
热电效应是指由材料的一侧和另一侧之间的温度差产生电流的能力。相反，向热电材料施加电压可使材料的一侧加热而另一侧保持冷却，或供选择地，一侧冷却而另一侧保持热的。已经以两种方式使用结合热电材料的装置：从热源产生电力或通过消耗电力来提供冷却或加热。迄今为止，热电装置已被限制在专营市场(niche)或小规模应用中，例如提供能量用于火星好奇号探测车或冷却精密仪器。
热电材料的广泛使用受到作为良好电导体的材料也往往是良好热导体的问题的阻碍。这意味着在温度差产生电势的同时，温度差本身开始消散，从而削弱了它产生的电流。具有高电导率σ和高热导率κ的材料在将温度差转化为电势方面表现得差。为了使材料作为热电材料表现良好，它应具有高品质因数值，ZT＝(S2σ/κ)T，其中S是塞贝克系数和T是温度。
过去，科学家通过寻找具有允许传导电比传导热更容易发生的内在性质的材料来解决这个问题。最近，材料科学家使用纳米技术来设计将表现出所需性质的纳米结构材料。使用纳米结构来控制热传输已经是快速增长的研究领域。研究人员已尝试了各种方案来降低热电材料中的热传输，例如将空穴、夹杂物、颗粒、界面和/或其它材料的晶粒引入热电材料中以便散射声子(热的载体)，但是这些也往往降低电流的传输(因为它们散射电子)，这抵消了改进。
在宏观周期性介质(即具有在几百微米或更高量级的单位元(unit-cell)尺寸)中弹性波的操纵可主要以两种不同的方式实现：(i)利用布拉格散射声子晶体和(ii)引入局部共振。后者使介质成为“超构材料”。声子晶体的概念包括具有人工周期性内部结构的材料，对于该内部结构而言晶格间距具有在传播波的量级上的长度尺度。以这样的构造，横跨提供可能具有带隙的独特频带结构的单位元发生波干涉。在另一方面，超构材料的概念通常涉及包括局部共振器(即机械振荡器)，其使得独特的亚波长特性显现。虽然在一些实施方式中周期性是有利的，但在超构材料中不是必要的。在宏观尺度下(其中焦点集中在声学或机械振动上)，已经以各种形式考虑了周期性的局部共振超构材料，例如通过具有涂覆有柔性(compliant)材料(例如橡胶涂覆的铅球)并且容纳在相对较轻且刚性较低的基体(例如环氧树脂)中的重夹杂物(Z.Y.Liu，X.X.Zhang，Y.W.Mao，Y.Y.Zhu，Z.Y.Yang，C.T.Chan和P.Sheng，Science 289，1734(2000))，或通过在板上存在柱(Y.Pennec，B.Djafari-Rouhani，H.Larabi，J.O.Vasseur和A.C.Hladky-Hennion，Phys.Rev.B 78，104105(2008)；T.T.Wu，Z.G.Huang，T.C.Tsai和T.C.Wu，Appl.Phys.Lett.93，111902(2008))。
在近些年，声子晶体的概念已经被应用于纳米尺度声子(热))传输的问题。在这种背景下，周期性材料可以各种方式实现，例如通过多组分的分层(还称为层状超晶格)(M.N.Luckyanova，J.Garg，K.Esfarjani，A.Jandl，M.T.Bulsara，A.J Schmidt，A.J.Minnich，S.Chen，M.S.Dresselhaus，Z.F.Ren，E.A.Fitzgerald和G.Chen，Science338，936(2012))或如在纳米声子晶体(NPC)中引入夹杂物和/或空穴(J.Tang，H.-T.Wang，D.H.Lee，M.Fardy，Z.Huo，T.P.Russell和P.Yang，Nano Lett.10，4279(2010)；J.K.Yu，S.Mitrovic，D.Tham，J.Varghese和J.R.Heath，Nat.Nanotechnol.5，718(2010))。迄今为止，局部共振声子(或弹性的或声学的)超构材料的概念已经被限制为宏观尺度问题，其中兴趣和适用性是在机械振动或声学方面(与热传输和热传递相反)。
简要概述
传播和散射载热声子或弹性波的操纵可产生有益的热性质。一个应用涉及热电材料，或者将处于热形式的能量转换成电的概念，反之亦然。在各种实施方式中，例如，可在例如但不限于纳米尺度、微米尺度、毫米尺度和厘米尺度的尺度上进行传播和散射载热声子或弹性波的操纵。如本文所用，术语纳米尺度是指在1nm至数百纳米，但小于一微米的量级的尺度。类似地，术语微米尺度是指在1μm至数百微米，但小于一毫米的量级的尺度。术语毫米尺度是指在1mm至几毫米，但小于一厘米的量级的尺度。术语厘米尺度是指在1cm至几十厘米，但小于一米的量级的尺度。
本申请公开了涉及降低在至少部分晶态的基体材料内行进的声子的群速度的许多方法、材料和装置。群速度降低的一个目的例如可以是降低热导率；另一个可以是改进热电能量转换品质因数。在特定实施方式中，例如，可通过使由至少一个局部共振振荡器和/或原子无序材料产生的一个或多个振动模态与声子中的一个或多个相互作用来降低在至少部分晶态的基体材料内行进的声子的群速度，所述振动模态包括但不限于与在局部共振振荡器和/或原子无序材料内的原子的运动相关联的振动模态。
在一个实施方式中，声子超构材料的示例实施方式可包括设置在至少部分晶态的基体材料内的一个或多个夹杂物。在至少部分晶态的基体材料内，一个(或多个)夹杂物可至少部分被相对柔性/软材料(例如石墨、橡胶或聚合物)包围。在这些实施方式中，例如，夹杂物和外包层可作为共振器块工作。至少部分包围夹杂物的相对柔性/软材料(例如石墨)可作为共振器弹簧工作。作为实例，石墨提供相对有效的“弹性”软/柔性材料，其包围或至少部分包围夹杂物，因为(1)它是晶态的，并且可允许振动有效地传递到周围的基体材料，和(2)它具有相对高的熔化温度，并且允许高温(例如大于400℃)热电转换。虽然石墨提供特别有效的软/柔性材料，但是其仅是实例并且可使用其它柔性/软材料。通过将夹杂物嵌入至少部分晶态的基体材料内，可提供比一维(例如棒形)或二维(例如板或片形)声子超构材料基体材料相对容易制造的块状声子超构材料，其中许多单个层/柱/壁邻近基体材料设置并且延伸离开基体材料。
这些变体中的夹杂物可包括设置在至少部分晶态的基体材料(例如以块状形式)内的原子有序和/或原子无序的材料和/或设置在至少部分晶态的基体材料附近、邻近或与至少部分晶态的基体材料并列的原子有序和/或无序材料的层/柱/壁。在这些实施方式中，还可将至少部分晶态的基体材料内的夹杂物至少部分设置在柔性和/或可滑动材料(例如石墨)的一个或多个层内(例如至少部分被柔性和/或可滑动材料(例如石墨)的一个或多个层包围)，其中整个层内的一个或多个原子层可相对于彼此(例如以相对低的力)振动或滑动，并因此增强夹杂物的共振及其向至少部分晶态的基体材料的传输。
在一个实施方式中，例如，至少部分晶态的基体材料提供电子和声子流的传输区域。至少一个亚结构例如柱、壁、环、板等，从基体材料的表面延伸并通过延伸的一个(或多个)亚结构的原子运动从而引起基体材料中的共振杂化(hybridization)。例如，延伸的亚结构可包含至少部分原子有序材料(例如至少部分晶态材料)和/或原子无序(例如无定形)材料。在一个特定实施方式中，例如，基体材料可包含尺寸减小的基体材料例如薄膜基体材料(例如膜(film)或膜片(membrane)基体材料)。多个亚结构可从尺寸减小的基体材料的一个或多个表面延伸。由延伸的亚结构内的原子运动引起的共振杂化例如可延伸至基体材料的减小的尺寸中并与流过基体材料的传输区域的声子相互作用。因此，杂化共振与通过基体材料的传输区域行进的声子的相互作用可降低声子的群速度，这在一些实施方式中可进一步提高在基体传输材料中降低热导率的有效性。
在另一实施方式中，例如至少部分晶态的基体材料包括设置在至少部分晶态的基体材料内的一个或多个夹杂物。在一个特定实施方式中，例如，一个(或多个)夹杂物设置在基体材料内，与传输区域相邻、并列和/或靠近传输区域，所述传输区域提供通过基体材料的电子和声子流。原子在一个(或多个)夹杂物内的运动引起共振杂化，其延伸至基体材料的传输区域中。共振杂化与流过基体材料的传输区域的声子相互作用。杂化共振与行进通过基体材料的传输区域的声子的相互作用可降低声子的群速度，这在一些实施方式中可进一步提高在基体传输材料中降低热导率的有效性。通过将夹杂物嵌入在基体材料内，例如，可产生块状或离散的热电材料。
在又一实施方式中，例如，可通过包括具有局部振荡器的另一材料来改变通过在延伸结构或夹杂物局部振荡器内的原子移动产生的一个或多个共振杂化。例如，不同的(例如相对较重或较轻的材料，相对较硬或较软的材料等)可包括有从至少部分晶态的基体材料延伸的原子有序或无序的延伸亚结构和/或包括有设置在基体材料内的夹杂物。例如，不同的材料可通过影响一个(或多个)局部振荡器内的原子运动来改变一个或多个杂化共振。例如，添加至局部振荡器的相对重或致密的材料可降低一个或多个杂化共振的频率，并且因此改变杂化共振和穿过基体材料的声子之间的相互作用。
在另一实施方式中，例如，可将具有减小尺寸的基体材料(例如薄膜、膜片、棒、线)的材料包括在块状热电材料中。在一个特定实施方式中，例如，具有或不具有延伸亚结构的减小尺寸的基体材料结构可设置在外部基质内。例如，与至少部分晶态的基体材料和/或延伸的局部振荡器亚结构相比，外部基质可包含相对软的基质材料。在一些实施方式中，周围的基质可包含原子无序材料，除了从设置在基体材料内的延伸亚结构和/或原子无序的夹杂物提供的那些之外，原子无序材料也可提供杂化共振。
在又一实施方式中，例如以上描述的，提供减小尺寸的结构(例如纳米结构、微米结构、毫米结构或厘米结构)，其在没有显著消极影响热电材料的电导率以及功率因数S2σ(其中S是塞贝克系数和σ是电导率)的情况下降低热导率k并提供实现相对高的热电能量转换品质因数ZT值的能力。
在另一实施方式中，例如，声子超构材料包含从至少部分晶态的基体材料的表面延伸的至少一个局部共振柱(例如纳米尺度、微米尺度或毫米尺度柱)。一个或多个柱从基体材料的延伸可通过使至少部分晶态的基体材料从充当内部散射体的局部共振器(或至少添加的局部共振器)脱离从而改进热电能量转换品质因数ZT，所述内部散射体可阻碍电子的运动并引起基体材料的电导率降低。
在又一实施方式中，例如，提供了用于降低通过至少部分晶态的基体材料的热导率的方法。在这个实施方式中，该方法包括：在至少部分晶态的基体材料内通过耦合到基体材料的至少一个局部共振振荡器(例如纳米尺度、微米尺度或毫米尺度局部共振振荡器)的振荡产生多个局部振动模态例如原子振动的模态；和使由至少一个局部共振振荡器产生的局部振动模态中的至少一个与在基体材料内运动的多个声子相互作用，从而减慢至少一部分相互作用的声子的群速度。
在另一实施方式中，提供了声子超构材料结构。在这个实施方式中的声子超构材料结构包括：至少部分晶态的基体材料，其被构造为允许经由运动通过基体材料的多个声子的热传导；和耦合到至少部分晶态的基体材料的至少一个局部共振振荡器。构造至少一个局部共振振荡器以产生至少一个振动模态例如原子振动的模态，从而与在基体材料内运动并且减慢至少一部分相互作用的声子的群速度的多个声子相互作用并且降低通过基体材料的热导率。
根据阅读下面的描述和权利要求以及根据研究附图，本发明的前述和其它方面、特征、细节、效用和优点将变得清楚。
附图简要描述
图1显示柱状硅薄膜与相应的均匀薄膜的声子色散和热导率的比较。将色散曲线着色以表示对累积热导率的模贡献，其相对于任一构造中的最高模贡献标准化。完整的谱图示于(a)中并且0≤ω≤2.5THz部分示于(b)中。还显示微分和累积形式的声子DOS和热导率。灰色区域表示在两种构造之间关注的量之差。在单位元中引入柱引起所有这些量的显著改变。
图2描述具有从基体材料延伸的1D局部共振振荡器的2D声子超构材料的各种实例构造。
图3描述从基体材料延伸的类型的各种1D局部共振振荡器几何形状/形状。
图4显示均匀的t＝50-nm薄膜(左)与具有80-nm单个柱的t＝50-nm薄膜(中)和具有80-nm双柱的t＝50-nm薄膜(右)的完整色散对比。
图5A和5B显示局部共振NPM的示例实施方式的单位元的图像，所述NPM包含在薄膜基体材料(例如悬挂膜片薄膜片基体材料)的顶部上延伸的柱。每个图像显示单位元的原子尺度模型，其中薄膜基体材料(例如悬挂膜片薄膜基体材料)和柱由单晶硅制成。
图6显示(a)对于各种薄膜基体材料(例如悬挂膜片薄膜基体材料)而言热导率作为T的函数。方块是测量结果(K.E.Goodson和Y.S.Ju，Annu.Rev.Mater.Sci.29，261(1999)；W.J.Liu和M.Asheghi，Appl.Phys.Lett.84，3819(2004)；J.Appl.Phys.98，123523(2005))并且实线表示拟合模型。子图(b)和(c)分别显示在室温下Umklapp散射参数A和B作为t的函数。这些参数通过使用(a)中显示的经验数据点拟合热导率预测来确定。显示用完整色散信息增强的Callaway-Holland 2D热导率公式很好地表示对于各个t值而言的实验值。对于厚度小于经验上可获得的厚度的薄膜而言，进行外推。这在(b)和(c)中对于厚度值为t＝2:72nm进行说明，其中A＝4:14×10-15s/K和B＝899K。
图7显示在利用不同nele＝CC(常规单元尺寸的单位)的FE和nκ分辨率(实线)的柱存在和不存在的情况下t＝3:26-nm薄膜基体材料(例如悬挂膜片薄膜基体材料)的热导率对比。FE模型的单位元尺寸等同于相应的原子尺度LD模型(虚线)从而能够直接对比。
图8显示在利用不同nele＝CC的FE和nκ分辨率的柱存在和不存在的情况下t＝60-nm薄膜基体材料(例如悬挂膜片薄膜基体材料)的热导率对比。观察到的稳定但缓慢的收敛速率表明在FE分辨率进一步提高时，预期相对热导率k柱状/k均匀显著降低。
图9描述具有从基体材料延伸的1D局部共振振荡器的2D声子超构材料的另外的各种实例构造。
图10描述具有嵌入的共振振荡器的2D声子超构材料的各种实例构造。
图11描述具有从基体材料延伸的2D局部共振振荡器的2D声子超构材料的各种实例构造。
图12描述具有从基体材料延伸的1D局部共振振荡器的1D声子超构材料的各种实例构造。
图13描述具有从基体材料延伸的2D局部共振振荡器的1D声子超构材料的各种实例构造。
图14描述具有嵌入的共振振荡器的3D声子超构材料的各种实例构造。
图15A-15C显示三维(3D)单位元的示例实施方式，所述单位元包括设置在至少部分晶态的基体材料内的原子无序夹杂物(例如无定形材料)。例如可在块状或其它材料例如二维或一维材料如膜片或线内分别使用单位元。
图16A和16B显示包括原子无序层的三维(3D)单位元的另一示例实施方式，该原子无序层与相邻、并列布置和/或
图17显示包括多个晶态热电材料层的材料的一个或多个单位元的又一示例实施方式的实例
图18显示包括多个至少部分晶态的基体材料层的材料的一个或多个单位元的另一实施方式，每个层还包括多个原子无序的夹杂物。
图19显示包含薄膜至少部分晶态基体材料(例如膜片薄膜基体材料)的复合材料的示例实施方式，所述基体材料包括设置在基体材料内的多个原子无序的夹杂物和从基体材料延伸的多个柱延伸亚结构。
图20A和20B显示包含一维至少部分晶态基体材料(例如线或棒基体材料)的复合材料的另一示例实施方式，所述基体材料包括设置在基体材料内的多个原子无序的夹杂物和从基体材料延伸的多个柱延伸亚结构。
图21显示使用块状声子超构材料的热电装置的示例实施方式。
图22A和22B显示包含薄膜至少部分晶态基体材料(例如膜片薄膜基体材料)的复合材料的示例实施方式，所述基体材料包括设置在基体材料内的至少一个连续的原子无序的夹杂物和从基体材料延伸的多个柱延伸亚结构。
图23A和23B显示包含一维至少部分晶态基体材料(例如线或棒基体材料)的复合材料的示例实施方式，所述基体材料包括设置在基体材料内的至少一个连续的原子无序的夹杂物和从基体材料延伸的多个柱延伸亚结构。
图24描述包含至少部分晶态基体材料的块状复合材料的又一示例实施方式，所述基体材料包括设置在基体材料内的至少一个连续的原子无序的夹杂物和从基体材料延伸的多个延伸亚结构。基体材料和延伸亚结构嵌入外部基质材料内从而提供块状复合材料。
图25、26A和26B描述三维(3D)单位元的另一示例实施方式，所述单位元包括设置在至少部分晶态的基体材料内的原子无序的夹杂物和进一步设置在原子无序的夹杂物内的内部夹杂物。例如可在块状或其它复合材料例如二维或一维复合材料例如膜片或线内分别使用单位元。
图27描述包含至少部分晶态基体材料的块状复合材料的又一示例实施方式，所述基体材料包括设置在基体材料内的至少一个连续的原子无序的夹杂物和从基体材料延伸的多个延伸亚结构。原子无序的夹杂物和延伸亚结构还各自包括设置在原子无序的夹杂物和延伸亚结构内的内部夹杂物。基体材料和延伸亚结构至少部分嵌入外部基质材料。
图28A和28B显示包含至少部分晶态基体材料的实例块状复合材料的又一实施方式，所述基体材料包括设置在基体材料内的至少一个连续的原子无序的夹杂物和设置在原子无序的夹杂物内的内部夹杂物。基体材料还至少部分嵌入外部基质材料。
图29A至29B显示三维(3D)单位元的示例实施方式。
图29C显示包含多个单个单位元的三维(3D)声子超构材料的示例实施方式。
图29D显示三维(3D)单位元的示例实施方式。
图30A和30B显示三维(3D)单位元的另一示例实施方式。
图31显示一个或多个单位元的又一示例实施方式的实例。
图32显示一个或多个单位元的另一实施方式。
图33A和33B显示适于减慢流过晶态材料的一个或多个声子的群速度的复合材料的示例实施方式。
图34A和34B显示适于减慢流过晶态基体材料的一个或多个声子的群速度的复合材料的另一示例实施方式。
图35显示使用块状声子超构材料的热电装置的示例实施方式。
图36A、36B、36C、36D、37A和37B描述适于减慢流过至少部分晶态材料的一个或多个声子的群速度的复合材料的其它示例实施方式。
图38描述包括声子超构材料的块状复合材料的又一示例实施方式。
图39、40A和40B描述包括声子超构材料的块状复合材料的另一示例实施方式。
图41描述包括声子超构材料的块状复合材料的又一示例实施方式。
图42A和42B显示包括声子超构材料的示例块状复合材料的又一实施方式。
详述
本文提供声子超构材料。例如，可在纳米尺度提供声子超构材料(还描述为纳米声子超构材料(NPM))，在微米尺度提供声子超构材料(还描述为微米声子超构材料(微米PM)，在毫米尺度提供声子超构材料(还描述为毫米声子超构材料(毫米PM)以及在其它较大或较小尺度提供声子超构材料。在一些实施方式中，声子超构材料可用于显著降低结构化半导体材料(例如纳米结构、微米结构、毫米结构或厘米结构半导体材料)中的热导率，并且在一些实施方式中，在没有影响(或至少没有显著影响)用于热电能量转换的其它重要因素(例如电导率和塞贝克系数)的情况下显著降低结构化半导体材料中的热导率。
通过至少部分晶态的基体材料的热流由具有宽范围频率的原子波(声子)运送。声子超构材料可含有与声子交换能量并且改变它们的传播特性的微型振荡器/共振器(这两个术语在本文中可以互换使用)。当通过的声子的频率与声子超构材料的振荡器的模态例如共振亚结构的一个或多个原子的振荡模态匹配时，在振荡器的振动模态和声子之间发生耦合/杂化/相互作用。这导致相互作用的声子的群速度降低，其进而引起声子携带的热量降低。更广泛地考虑这种现象，振荡器的局部共振与振荡器/共振器所结合的晶态(或部分晶态)材料的底层晶格色散耦合/杂化/相互作用。结果是，在每个耦合/杂化/相互作用处和附近，声子波传播(Bloch)模态的群速度发生降低，如在频率对波矢图中表明。当局部共振很多且跨越整个谱图时，耦合将很多且将跨越整个谱图(例如直至THz)。这导致材料总热导率的显著降低。因此，引入局部共振器(具体地局部共振器表现出很多且分散的模态，其中最低模态对应于尽可能低的频率)可显著降低基体材料的热导率。在图1中对于以下描述的特定实施方式说明了这个概念。
该理念是原则上独立于所使用基体材料的结构概念。如此，可使用各种各样的材料(例如半导体材料)来实施所提出的概念。甚至可使用复合材料、合金或常规的热电材料来应用该概念，所述热电材料在其原始化学形式下表现良好(对于热电能量转换而言)或者已经以不同的方式结构化(例如纳米结构化)以改进其性能。在一些情况下，处于其原始形式的基体材料的热电性能越好，在引入局部振荡器/共振器时最终热电性能越好。在一个特定实施方式中，由于单晶硅的低成本、丰富、分析和制造领域的先进现有技术、已经可用的优异工业基础设施、高度耐高温性和无毒，可选择单晶硅基体材料。虽然本文所述的特定实例可包括特定基体材料，但这些仅为实例，并且也可使用许多其它类型的材料。
理念本质上是强有力的，即，性能抵抗(不敏感)与材料的主体和局部振荡器或共振器(术语振荡器和共振器在本文中可以互换使用)有关的所有特征的几何形状的变化。这种属性隐含例如抗表面粗糙性，其提供实际的益处，因为至少目前非常光滑的结构(例如纳米结构)的低成本制造(例如纳米制造)依然是技术挑战。
与使用结构化(例如引入周期性夹杂物或孔或界面)并且依赖于例如通过布拉格散射(其对表面粗糙度非常敏感)来操纵主体内行波色散的其它群速度降低策略不同，与局部振荡器/共振器相关联的局部共振是驻波(局部化的振动)。一个优点是这些驻波对降低热导率的影响实际上不受表面粗糙度的消极影响。粗糙度将仅引起局部共振的频率值的小偏移(向上或向下)，并如此粗糙度对通过杂化机制降低热导率的总影响低。此外，大多数模态可通过局部共振在至少部分晶态的基体材料的主体中杂化，并且这也将降低热导率而没有对基体材料内任何表面中的粗糙度敏感。此外，如果以周期性方式结合局部振荡器/共振器，当可能发生或部分发生布拉格散射并且引起群速度的至少一些降低时，由于局部振荡器/共振器所致的群速度降低将是额外的(即大于并超过通过布拉格散射和其它方式例如减少基体材料结构的维度所实现的)。
在一个实施方式中，例如，一个或多个局部振荡器/共振器结构包含离开热电基体材料的表面延伸的一个或多个结构。这些结构例如可包含任何晶态、部分晶态或原子无序(例如无定形)材料，其中结构的原子可产生一种或多种振荡模态。结构的原子例如可通过结构内那些原子的移动而表现出高达三个固有频率/杂化共振。
在其它实施方式中，例如，一个或多个局部振荡器结构可包括与至少部分晶态的热电基体材料传输介质机械耦合的一种或多种原子无序(例如无定形)材料(例如提供声子和电子的传输)。原子无序材料可包含例如一个或多个夹杂物、层、柱、壁、格网、线、曲线、点或包含一种或多种原子无序材料的其它随机或图案化的结构。在这种构造中，原子无序材料充当一个或多个振荡器。原子无序材料的一个或多个原子的移动例如表现出高达三个固有频率/杂化共振。共振与通过热电基体材料行进的热声子耦合，使得通过耦合，声子的群速度降低并且可降低热导率。
仍在其它实施方式中，提供了从热电基体材料的表面延伸设置的至少一个局部振荡器/共振器结构(例如晶态、部分晶态和/或原子无序的)和/或在热电基体材料内设置至少一个原子无序(例如无定形)夹杂物。在这个实施方式中，例如，从基体材料的表面延伸的一个(或多个)局部振荡器/共振器结构可提供延伸通过基体材料的表面并与在一系列局部共振内行进通过基体材料的一个或多个声子耦合的一个或多个局部共振(例如经由原子振动的一个或多个模态)。原子无序夹杂物材料可类似地提供从夹杂物材料发出至基体材料中的一个或多个局部共振(例如经由原子振动的一个或多个模态)，其与在一系列相应的局部共振内行进通过基体材料的一个或多个声子耦合。以这种方式，可通过行进通过基体材料的声子的干扰通过局部共振器结构的任一个或两个来降低基体材料的热导率。
因为局部共振器结构的局部共振是由在各个局部共振器结构(例如从热电基体材料的表面延伸的晶态、部分晶态或原子无序结构或设置在热电基体材料内的原子无序夹杂物)内移动的一个或多个原子引起，所以可按需要通过所采用的局部共振器结构的尺寸和/或数量来提高或减少共振的数量。类似地，可调谐或以其它方式选择共振的一个或多个分布从而与行进通过热电基体材料的声子的分布相对应或符合，并且可更加扩大携带大部分热的声子的影响以进一步降低基体材料的热导率。
通过包括一个或多个局部振荡器，不论从基体材料延伸的亚结构和/或设置在基体材料内的原子无序夹杂物，其提供从一个(或多个)局部振荡器结构延伸至基体材料中的局部共振，还可设计热电基体材料来包括一个或多个电子传输区域，所述电子传输区域相对没有阻碍电子流通过基体材料，但是允许通过附近的局部振荡器/共振器产生的局部共振与行进通过同一传输区域的声子耦合/杂化。以这种方式，电子流可相对不受阻碍，而实质上减小声子群速度从而降低热电基体材料的热导率。
在一个特定实施方式中，例如，材料包含大约二维薄膜基体材料，其包括被构造以提供局部共振例如与振荡结构内的一个或多个原子的振动模态相关联的共振的振荡器阵列。二维薄膜型基体材料的实例包括在基板上设置的薄膜、悬挂的薄膜。此外，术语薄膜和膜片可以互换使用。例如，柱或其它结构的阵列可从薄膜材料的一个或两个自由表面延伸(例如参见图2A和2B)。这种类型的实施方式被称作“柱状薄膜实施方式”。如本文所用，术语“柱”是指从基体材料的表面延伸的向上直立和/或向下直立的构件或部件，例如突起、突出部、延伸部等。柱例如可包含任何数量的形状、形式、高度、分布、位置、取向、材料组成等。此外，柱可由与基体材料相同的材料一体形成，可连接或以其它方式(直接或间接地)附接至基体材料，可包括与基体材料相同或不同的材料。柱，例如，可包含晶态材料、至少部分晶态材料或原子无序材料。在一些实施方式中，柱可包含纳米尺度柱、微米尺度柱、毫米尺度柱或另一更大或更小尺度柱。
此外，术语一维(1D)、二维(2D)和三维(3D)在本文中用于描述各种基体材料构造的特性以及局部振荡器/共振器的形状、尺寸、取向、材料组成和/或位置/分布。纳米尺度(或其它尺度)基体材料例如可描述为处于线或棒或柱(column)的形状的一维(1D)基体材料，其除了其它纳米尺度(或其它尺度)维度之外通常在一维上延伸。类似地，纳米尺度(或其它尺度)基体材料例如纳米材料薄膜/膜片/片或板形基体材料可描述为二维(2D)结构，其除了其它纳米尺度(或其它尺度)维度之外在两个维度上延伸。同样，不同的基体材料例如块状材料，可被描述为三维(3D)基体材料。类似地，还可参照附图相对于如以下描述的一维、二维或三维结构来描述局部振荡器/共振器例如图3中显示的柱。
二维(2D)纳米材料构造例如可描述为厚度大致小于10,000nm的薄膜或膜片(术语薄膜和膜片在本文中可以互换使用，并且适用于设置在基板上的薄膜/膜片和悬挂的薄膜/膜片两者)。使用这种构造用于基体材料结构(即振荡器/共振器所应用的基体材料结构构造)的一个优点在于与相同材料的块状状态相比，热导率降低两倍或更多倍。热导率的这种降低是由于(1)由于薄膜结构导致的群速度降低(这种效应在粗糙表面的情况下减弱)和(2)由于声子在表面处的扩散散射(这种效应在粗糙表面的情况下增强)。任一方式，热导率的总体降低对于热电能量转换有利。
在这个特定实施方式中，例如，当柱从一个或两个自由表面垂直(或大致垂直)或沿着非垂直取向延伸时，采用柱形式的局部振荡器/共振器的实现和柱内的原子，提供的优点在于薄膜的主体保持不变(这与涉及通过在这个主体内引入孔或颗粒或界面或晶粒来改变薄膜的主体的其它结构化策略形成对比)，从而也降低不期望地散射电子的可能性(或强度)。为了实现相对高的热电能量转换品质因数，非常需要降低热导率而不降低电导率(以及塞贝克系数)。
在一个实施方式中，沿着薄膜基体材料的一个或两个自由表面周期性放置柱形式的局部振荡器/共振器和柱内的原子。虽然用于发生杂化效应原则上不需要周期性地布置柱(从设计/制造灵活性和对几何变体不敏感的观点来看，周期性要求的放宽是优点)，但是在这个特定实施方式中柱的周期性放置(1)提供紧凑地布置柱的有效方式，(2)允许系统性的方式来理论地分析、评估和设计超构材料(例如纳米结构化)声子超构材料，和(3)周期性提供用于降低群速度的附加机制，即通过布拉格散射(如自由表面，这种效应在粗糙表面的情况下减弱)并因此降低热导率。
在各种实施方式中，可选择超构材料(例如纳米声子超构材料)的单位元(或如果构造不是周期性的则代表性体积元)的尺寸尺度例如薄膜厚度和在柱状薄膜情况下柱之间的晶格间距为在1至1,000nm的量级(或适度地低于或高于该范围)。如果在没有夹杂物的这种特定薄膜型实施方式中显著较高，则与声子的平均自由程相比单位元(或代表性体积元)可能太大，从而导致在局部共振/振荡和基体材料声子/色散之间的耦合/杂化/相互作用效应的恶化，并因此导致由共振柱(或其它类型的振荡器/共振器)和柱内的共振原子的存在所带来的有利效应的损失；并且在一些实施方式中，如果与平均自由程相比单位元(或代表性体积元)太大，则也可能失去从它的周期性布置(即布拉格散射)产生的益处效果。如果单位元(或代表性体积元)的特征长度尺度较小，则柱(或其它类型的振荡器/共振器)中的原子数将较低，并且因此局部共振数将较低，这将导致较低的热导率降低效应，尽管在一些情况/应用中这仍然是可接受的。
在柱状薄膜实施方式中，可都相对于彼此选择薄膜的厚度、晶格间距和柱的高度，使得每单位面积可使用柱的最大尺寸和/或数量(以提高热导率降低的程度)，但没有使柱之间的耦合过度，其可导致热导率降低的程度减弱(这可在当柱之间的耦合超过一定水平时发生)。在一个实施方式中，例如，如以下讨论和在图4中显示的提供相对尺寸。然而，在优化研究时，可获得相对维度的其它组。
在另一实施方式中，在基础薄膜材料的一个或两个自由表面上使用多个柱状局部振荡器/共振器，其中每个包括独特的(不同的)高度和/或横截面积(例如参见图2D和2E)。在这个实施方式中，使用多个柱(在薄膜上方和/或下方)，具有不同的几何尺寸(在高度和/或横截面积方面)的每个柱提供与柱中的原子和柱的总体结构特征相关联的多个不同的共振组，并且共振组越多，在整个谱中发生的耦合/杂化/相互作用越多，并且这进而导致更大量声子的群速度降低，并且因此导致总体热导率的更大降低。
可使用采用超单元(super cell)晶格动力学的性能理论/计算预测/分析并与均匀薄膜的实验数据拟合以获得各种实施方式的优化尺寸。本文呈现的理论/计算技术提供用于性能预测/分析的方法来确定单位元的优化尺寸，并还充当演示概念证明的方式。这个过程包括原子尺度晶格动力学计算和用于相对大模型的基于有限元的晶格动力学计算，以及使用均匀薄膜的实验数据以提供在所使用的热导模型中散射参数的保守估计。(所用的热导模型在以下等式(1)中给出，并且基于在时间弛豫近似下的玻尔兹曼传输等式)。
可使用许多技术例如以下至少一种来制造声子超构材料例如纳米声子超构材料：沉积、物理气相沉积、化学气相沉积、电化学沉积、分子束外延、原子层沉积、去除、蚀刻、湿法蚀刻、干法蚀刻、化学-机械平面化、图案化、光刻、离子束光刻、架构(例如纳米架构)的晶格结构和使用晶格(例如纳米晶格)作为在其上图案化热电材料的支架等。在一个特定实施方式中，例如，离子束光刻或蚀刻技术可用于大量生产，但其它技术例如但不限于以上列出的那些也是可能的。在一个特定实施方式中，例如，使用离子束光刻制造声子(例如纳米声子)超构材料。然而，在另一实施方式中(例如用于大量生产)，可使用例如干法蚀刻和金属辅助化学(湿法)蚀刻的技术。
在本文描述的特定示例实施方式中，为了功能目的和实际目的，使用硅薄膜/膜片作为用于产生局部共振声子超构材料(例如NPM)的基础材料，然而，不仅考虑其它半导体材料、复合材料(例如纳米复合材料)和其它类型的结构化的(例如纳米结构化的)材料，而且期望在不同的实施方式中使用这些材料。使用降低尺寸的材料例如薄膜/膜片已经引起k降低直至不必然影响S2σ的数量级，并且从装置集成的角度也是有利的。在这些特定实施方式中选择硅是有益的，因为其广泛使用在电子工业中并且易于制造且无毒；然而，在如本文所述的其它实施方式中也可使用其它材料。
在一个实施方式中，振荡器/共振器采用柱(例如纳米尺度柱)的周期性或非周期性阵列的形式，所述柱延伸/突出/伸出薄膜的表面(在实践允许的各种实施方式中，在任一侧或两侧上)。例如可使用例如干法蚀刻和金属辅助化学(湿法)蚀刻的技术制造这样的结构，但是也考虑其它技术。例如，使用柱形突起的实施方式的一个优点在于柱表现出与作为整体的柱的结构振动和柱中的一个或多个原子的振动相关联的许多局部共振，这些局部共振与薄膜的底层原子级声子色散耦合，或者更具体地，与薄膜的底层原子级声子色散杂化并且横跨其整个谱范围内耦合或更具体地杂化。这些耦合急剧降低群速度(在发生杂化的位置)并因此降低热导率。这种现象还已知为避免交叉(avoided crossing)，其已经在具有被包封在笼状结构例如笼形包合物中的客体原子的天然存在的材料中进行了研究。然而，与声子超构材料例如NPM形成对比，这些笼状结构体系中的杂化被限于客体原子的模态，并且通常仅跨过频谱的声学范围内的窄带发生。利用柱的另一重要益处是操纵群速度的特征(即柱或其它突起本身)物理上在电子的主要流程(其存在于薄膜的主体中)外部。与基于薄膜的NPC相比这提供优势，在基于薄膜的NPC中夹杂物或孔穿透薄膜的厚度，并因此除了散射声子之外，还可不期望地阻碍通过膜的电子传输。此外，在这个特定实施方式中，关于在一致(coherent)和纳米特征引起的不一致热传输之间的竞争的关注不再是至关重要的，因为局部共振与相位无关。这种品质提供又一个实际的好处，因为它使NPM摆脱了对几何公差的限制。
在一个特定实施方式中，提供用于厚度为t的均匀硅薄膜的原子级单位元模型。在这个实施方式中，提供了包括堆积为具有边长a＝0.54nm的立方体的八个原子的常规单元(CC)的描述。由于这种方便成形的盒状结构，在这个实施方式中CC用作构造块并沿着正交简单立方晶格复制以产生薄膜结构的超单元。这是针对均匀薄膜进行的，并且在本说明书稍后当向一个(或多个)自由表面添加柱时建立。对于均匀薄膜，超单元由通过沿着平面外z方向将M个CC堆叠在彼此顶部上而构造的竖直条组成。这个超单元的尺寸将由Ax×Ay×Az表示，其中Ax＝Ay＝a并且Az＝Ma＝t。
在一个特定实施方式中，通过进行原子尺度晶格动力学(LD)计算获得一组悬挂均匀硅薄膜的全声子能带结构，其中三体Tersoff电势用于Si-Si键，仅考虑第一最邻近的相互作用(可使用其它类型的原子间势)。在恒定压力下最小化原子间势能之后进行这个实施方式中的所有计算。对于热导率预测，可使用玻尔兹曼传输模型(使用Callaway Holland方法用于模拟散射)，其沿着x方向对齐的ΓX路径表示为
其中κ、λ、C、νg和τ分别表示声子波数、分支指数、比热、群速度和散射时间。后三个数量取决于声子色散。比热表示为
其中
ω是频率，T是温度，kB是玻尔兹曼常数，和h是约化普朗克常数。群速度表示为
并且散射时间表示为
其中
和
分别表示umklapp、杂质和边界散射。注意到沿着x方向ΓX路径求等式(1)的值。
在一个实施方式中，参数A、B和D都由经验获得。对于A和B而言，使用均匀的硅薄膜在基板上的测量数据，因为温度依赖趋势与它们的悬挂对应物类似。关于杂质散射，在这个实施方式中可使用D＝1.32×10-45s3。有效边界散射长度L定义为L＝t/(l-p)，其中p是表面镜面反射参数(0≤p≤1)。因为拟合参数对薄膜厚度的高敏感性(尤其是对于非常低的t)，可在预定温度(例如T＝300K)附近针对各种厚度(例如t＝20、30、50、100、420nm)进行模型拟合。
在一个实施方式中，描述了纳米尺度共振柱(或其它突起)和其中的原子的存在降低薄膜中的热导率的概念证明。在这个实施方式中，薄膜厚度极小。这个实例情况的基准研究包括具有6×6CC(Ax＝Ay＝aNPM＝3.26nm)的方形基底和M＝5CC(Az＝t＝2.72nm)的厚度的薄膜超单元；这对应于含有1440个原子的长方体。柱被放在薄膜顶部并且具有2×2CC(边长为d＝1.09nm)的方形基底和3CC(h＝1.63nm)的高度并且自身含有96个原子。在图1的插图中以及图5中显示这个示例实施方式的两个超单元的几何构造。对于均匀薄膜和柱状薄膜而言，在同一图(图1)中呈现沿ΓX路径的声子色散。对于这个实施方式中的热导率预测而言，在均匀和柱状情况之间，umklapp散射参数保持恒定。这为后者提供保守近似，因为已经显示避免交叉引起声子寿命的轻微降低。边界散射参数也保持恒定，因为在这个实施方式中，柱的横截面积相对较小，并且在标称薄膜的主横截面外部；并因此不期望它们引起与均匀薄膜边界散射参数的显著偏差。对于这个模型，对于t＝2.72-nm薄膜而言使用在K.E.Goodson和Y.S.Ju，Annu.Rev.Mater.Sci.29，261(1999)；W.J.Liu和M.Asheghi，Appl.Phys.Lett.84，3819(2004)；和J.Appl.Phys.98，123523(2005)中的实验数据(并如本文进一步描述)并考虑p＝0的情况来使用近似拟合的A和B参数。
图1(包括子部分(a)和(b))显示柱状硅薄膜与相应的均匀薄膜的声子色散和热导率的比较。在这个实施方式中，将色散曲线着色以表示对累积热导率的模贡献，其相对于任一构造中的最高模贡献标准化。完全的谱图示于(a)中并且0≤ω≤2.5THz频率范围部分的放大视图示于1(b)中。还显示微分和累积形式的声子DOS和热导率。灰色区域表示在两种构造之间关注的量之差。在单位元中引入柱引起所有这些量的显著改变。图1显示概念证明实施方式的结果。如可从图1中看到：(i)下面的(声学)分支在均匀和柱状薄膜中都贡献了大部分的热导率。另外，我们看到较高的波数也显著地贡献热导率。这里要回忆的一个因素是边界散射项已经被设置为薄膜厚度即L＝t＝2.72nm。当这个值非常小时，有效地消除长波(即在能带图中靠近Γ点的那些)，并且结果是在声学分支的低波数端获得低贡献。(ii)柱的存在引起一系列平的(flat)局部共振声子模态出现在整个谱上，即在亚波长和超波长频率处。这些模态与底层声学和光学薄膜声子模态相互作用，并形成色散曲线的杂化。这进而导致在交叉点处的分支变平，并因此导致群速度和热导率的降低。柱的引入将热导率降低为均匀薄膜的热导率的48％。考虑到每单位元柱引入288个新的自由度，每个自由度向等式(1)中进行的求和又添加一个分支，这是显著的结果。因此，即使向系统添加更多的声子，由于杂化机制，实际上携带的能量较少。(iii)我们注意到对于均匀的情况，在1.5THz以下的分支(大部分是声学分支)贡献了大约40％的热导率。柱的存在显著地改变这些分支的相对贡献，其现在贡献了大约60％的热导率。与没有柱情况下的60％相比，有了柱，小于2.5THz的声子占几乎70％的热导率。对于柱状情况而言，这70％的绝大多数落入0.5＜ω≤2.5THz的范围内。2.5＜ω≤10THz的范围主要占剩余30％。这些结果表明由密集高频光学模态上的许多局部共振引起的平坦化效应引起贡献曲线向下偏移，从而使声学和低频光学模态具有更大权重。然而，在非常高的频率(大于10THz)下，薄膜色散曲线已经太平坦，从而为水平共振分支提供任何明显改变群速度的极小机会。
在这些实施方式中，利用原子级LD使用柱形突起进行薄膜色散的建模。然而，由于与解决大的复杂特征值问题相关联的极大的计算强度，将在这些实施方式中使用的模型限制为非常小的尺寸，尽管较大的模型也可用额外的计算资源来进行。然而，在以上描述的特定示例实施方式中，在超单元边长中使用大约在5nm量级的模型。考虑到当前纳米结构制造技术实际上被限制在大约较大数量级的最小特征尺寸，基于连续体的有限元(FE)模型也用于LD计算，尽管当与原子尺度模型比较时，特别注意在元件数/CC(nele/CC)方面的FE分辨率。为了理解热导率预测对FE分辨率的敏感性，以下包括通过FE和原子级LD模型两者获得的结果比较。从这些结果注意到随着FE分辨率提高，FE模型保持一致的趋势并接近原子尺度LD模型。以下还检查了较大模型(其中原子尺度LD结果不可得)的FE性能，并且再次观察到收敛趋势。
对于均匀和柱状模型还使用相同的散射参数，注意这种近似随着薄膜厚度的提高而改进。图4中显示在任一个表面或两个表面上具有柱的NPM和均匀薄膜的结果。具体地，图4显示均匀的t＝50-nm薄膜(左)与具有80-nm单个柱的t＝50-nm薄膜(中)和具有80-nm双柱的t＝50-nm薄膜(右)的完整色散对比。在这个特定实施方式中，例如，薄膜包括悬挂膜作为薄膜基体材料。还显示对前几个色散分支的关注，以及累积热导率作为频率的函数。注意这些结果中的一些独特特性：(i)与图1一致，均匀和柱状情况之间的最大频率保持不变，尽管由于柱的FE自由度的增加而引入额外的分支，和(ii)尽管这种自由度的增加，由于局部共振分支贯穿声子谱，NPM再次具有降低的热导率(均匀薄膜值的59％)。在较高FE分辨率的情况下，预期预计的降低提高(见下文)。对于双柱状薄膜，出现另外的平的分支，这进一步改进性能并且引起热导率进一步降低至均匀薄膜值的51％。为了检查选择umklapp散射参数的影响，使用块状硅的值(A＝2.10×10-19s/K和B＝180K；参见B.L.Davis和M.I.Hussein，AIP Advances 1，041701,2011)并且对于单柱和双柱薄膜分别使用获得的k柱状/k均匀值为60％和54％重复这些计算。这些数值非常接近于以上使用薄膜参数报告的那些，因为在t＝50nm的厚度下，umklapp散射行为接近块状材料的散射行为。最后，用p＝1的镜面反射参数重复分析，并且对于单柱和双柱薄膜分别得到k柱状/k均匀值为76％和73％(使用重新计算的薄膜umklapp散射参数A＝1.20×10-18s/K和B＝15K，其使用p＝1获得)。
局部共振声学超构材料已被研究来在特征尺寸为微米或更大的量级的宏观应用中控制声波。然而，在本申请中，提供局部共振NPM来控制热波。在声学上，局部共振与和振荡器/共振器的周期性布置相关联的色散曲线耦合，或者当仅着眼于亚波长区域时与嵌入介质的长波线性色散耦合。在本文讨论的热应用中，耦合在局部共振模态和底层晶态材料的原子级色散之间。声学超构材料，与其电磁对应物一样，在亚波长频率处获得其独特性质。在NPM中，局部共振在包括超波长区域的整个频谱上产生期望的效果。实际上，尽管注入额外的声子(与提高的振荡器/共振器的自由度相关)，但是热导率已降低，并且这归因于在亚波长和超波长频率下发生的杂化。这个结果为超构材料的定义提供了更广泛的视角。最后，在基于柱状薄膜的NPM构造的特定实施方式中，在没有改变基体薄膜材料的情况下(例如没有插入边界型散射体例如孔、夹杂物、界面、杂质等)提供了用于降低热导率的有力机制，并因此预期对电导率具有最小的影响。这种情况对于热电能量转换是显著有利的。在这个实施方式中，模型提供了与相应的均匀薄膜相比热导率降低高达2倍的保守预测。在使用更高分辨率模型分析、尺寸优化、探索其它基体材料和局部振荡器/共振器材料和几何构造时，在其它因素中，将局部振荡器/共振器(例如柱)概念与最初(即没有振荡器/共振器的情况下)具有良好热电性质的其它2D(或1D或3D)基体材料例如复合材料和合金合并，可认识到使用声子超构材料的概念达到极高的ZT值。
薄膜Umklapp散射参数
在一个实施方式中，将热导率预测Callaway-Holland(C-H)模型(参见J.Callaway，Phys.Rev.113，1046(1959)；M.G.Holland，ibid.132，2461(1963))与在K.E.Goodson和Y.S.Ju，Annu.Rev.Mater.Sci.29，261(1999)；W.J.Liu和M.Asheghi，Appl.Phys.Lett.84，3819(2004)；和J.Appl.Phys.98，123523(2005)中提供的实验数据拟合以便获得对于Umklapp散射参数A和B的估计。在这个实施方式中，对于各种厚度t＝20、30、50、100、420nm，大约T＝300K的温度进行模型拟合。图6a显示所使用的经验数据(用方形点标记)以及来自对于零表面镜面反射(即p＝0)的情况而言的模型的结果。注意到由于横跨宽温度范围的数据的有限可得性和对于每个厚度而言可用的数据点数量的不一致，仅考虑实心点用于拟合。这确保在T＝300K时的预期趋势，同时在高温下提供一致的渐近行为，由此根据每条曲线的厚度值维持曲线的顺序。在获得足够数量的薄膜厚度的参数值时，进行第二级曲线拟合以利用宽范围薄膜的散射参数，如图6b和6c中显示(关于这种两步拟合方法的进一步细节，参见B.L.Davis，M.F.Su，I.El-Kady和M.I.Hussein，Proc.ASME IMECE，IMECE2012-89902(2012))。
薄膜模型的有限元分辨率分析
我们考虑超单元，其薄膜基础具有厚度为Az＝t＝3:26nm(A＝4.17×10-16s/K，B＝705K和p＝0)并且剩余尺寸在图7中给出。选择这些尺寸以能够与原子级LD超单元模型比较，其中薄膜基体由6个常规单元(CC)组成并且柱基体和高度分别由2个和4个CC形成。对于有限元(FE)模型，使用三维立方单元。在图7中，对于各种FE分辨率nele＝CC(其中nele是有限元数)和波数离散化分辨率nκ，我们直接比较了相对于均匀情况标准化的有柱薄膜的热导率降低。首先，我们发现随着我们提高nk(其数值上改进C-H模型的预测)，热导率收敛至恒定值。第二，当提高nele＝CC时，热导率降低由于柱的存在而提高并且也收敛至恒定值。如我们在图1的较小尺寸问题中看到的，由于大量的局部共振穿透至高密度的光学分支中，耦合/杂化/相互作用对光学模态的总影响比对低频率模态的总影响相对更高。因此，因为随着FE分辨率的提高出现更多的光学分支，所以观察到热导率降低的改进。最后，随着FE分辨率提高，FE模型保持一致的趋势并接近原子尺度LD模型。这提供了信心对于给定的分辨率，就柱对总色散的影响而言，FE模型保守地俘获纳米尺度声子动力学行为，并因此涉及热导率降低。
在进行到具有较大厚度的薄膜模型时，由于计算资源的限制难以维持相同的FE分辨率水平。为了检查在这样的限制下的收敛性能，分析了使用显著较低的nele＝CC值的较大薄膜模型。选择具有厚度为t＝60nm(A＝5:90×10-19s/K，B＝200K和p＝0)的均匀和柱状薄膜。这里NPM超单元具有基体长度为aNPM＝60nm，柱宽度为d＝20mm和柱高度为h＝40nm。结果显示在图8中，其中观察到热导率降低。图8还显示如图7中显示的收敛趋势，除了收敛速率较低。这实际上表明如果进一步提高nele/CC分辨率，与均匀薄膜情况相比预期NPM的热导率的额外大幅降低。在与块状硅比较时，如图6a表明的，这个估计的相对降低将增加至大约3倍的降低(归因于从块状到薄膜构造的转变)。
虽然在各种示例实施方式中讨论了用作局部振荡器/共振器的柱形突起，但是设想许多类型和形状的局部振荡器/共振器(例如从相邻固体介质例如薄膜的表面延伸的突起(具有它们包含的所有振动原子)，或者嵌入相邻固体介质的主体内的局部振荡器/共振器(具有它们包含的所有振动原子))，并且可与所描述的其它实施方式整体或部分地互换。图2、3、5和9至14例如表示如本文所述的纳米声子超构材料的各种几何构造。在这些实施方式中，例如，提供了用作骨架的相邻固体介质(在各种实施方式中，例如，介质可由具有相对良好的原始热电性质的半导体材料或任何类型的晶态或至少部分晶态的材料或复合材料或合金构成)和用作局部共振器/振荡器的亚结构的组件。在一个实施方式中，例如，主体或骨架采取3D(块状)、2D(薄膜、片、膜片或板)或1D(线、杆、柱或梁)介质的形式。此外，在一个实施方式中，例如，3D主体的表面可为直的或曲线，并且类似地，2D或1D主体的表面或沿着薄截面的中心线可为直的或弯曲的。振荡器/共振器可采用如附图中显示的各种分布、形状和尺寸，并且可位于主体内或从主体突出。此外，振荡器/共振器(具有它们包含的所有振动原子)可采取各种取向和材料组成。振荡器/共振器(具有它们包含的所有振动原子)可以完美的周期性方式、随机地或以任何其它方式分布。振荡器/共振器(具有它们包含的所有振动原子)的几何形状尺寸可为相同的，或可在组内变化由此整个组以相同的方式重复，或可以随机方式变化，或可以任何其它图案或方式布置。
应注意除了每个子图中显示的构造之外，还能够混合和匹配来自不同子图的各种特征。例如，如图2A和2B中显示的在薄膜的顶侧和底侧上具有振荡器/共振器(具有它们包含的所有振动原子)可应用于显示薄膜的所有其它情况，例如图2D和2E中显示的多柱薄膜。此外，所有附图中显示的所有特征的相对尺寸以及特征之间的相对间隔可变化，并且还能够针对主体与振荡器/共振器(具有它们包含的所有振动原子)使用不同的材料。
在各种构造之间进行的选择可取决于以下若干因素中的一个或多个，例如热电能量转换性能、稳定性、毒性、制造和规模制造的容易性、集成到热电装置中的容易性和适用性、成本等。
图3(包括图3A至3H)显示在相邻固体介质(例如3D块状介质、2D薄膜、片、膜或板介质或1D线、杆、柱或梁介质)的一个或多个表面上形成局部振荡器/共振器(具有它们包含的所有振动原子)的柱形突起的多个示例实施方式。图2A例如显示薄膜介质的一个实施方式的不同透视图，该薄膜介质包括设置在薄膜介质的单个表面(例如顶面)上等尺寸的柱的大体二维(2D)的均匀的周期性阵列。虽然图2A中显示的柱具有方形横截面，但是它们可具有任何其它横截面形状，例如矩形、圆形、椭圆形、三角形、多边形或其它规则或不规则的横截面形状(例如参见图3中描述的横截面)。
图2B类似地显示大体二维(2D)薄膜介质的第二实施方式的不同透视图，该薄膜介质包括设置在薄膜介质的两侧/表面(例如顶面和底面)上等尺寸的柱的周期性的均匀阵列。在这个实施方式中，介质的第一侧上的柱(例如顶柱)的尺寸可等于或不同于介质的第二侧上的柱(例如底柱)的尺寸。另外，虽然图2B中显示的柱具有方形横截面，但是它们可具有任何其它横截面形状，例如矩形、圆形、椭圆形、三角形、多边形或其它规则或不规则的横截面形状(例如参见图3中描述的横截面)。
图2C显示大体二维(2D)薄膜介质的第三实施方式的不同透视图，该薄膜介质具有设置在薄膜介质的第一表面上(例如顶面上)等尺寸的柱的周期性阵列，其中每n行(例如在图2C中显示的实施方式中的每三行)出现一个空行。还可使用整行、整列和空行、空列的其它分布。
图2D显示大体二维薄膜介质的第四实施方式的不同透视图，该薄膜介质具有基于具有不同高度的柱的多柱单位元的周期性阵列。在图2D中显示的特定实例中，例如，每个重复单位元具有每个为不同高度但相同横截面积和/或形状的多个柱。在不同的实施方式中，每个重复单位元可具有不同高度而且不同横截面积的多个柱。虽然在这个构造中在每个单位元中有四个柱，但是其它构造可包括每单位元在薄膜的仅一侧或两侧上分布的较大或较小的柱数量。
图2E显示大体二维薄膜介质的第五实施方式的不同透视图，该薄膜介质具有基于具有不同横截面积的柱的多柱状单位元的周期性阵列。在图2E中显示的特定实例中，例如，每个重复单位元具有每个为不同横截面积但相同高度和/或形状的多个柱。在不同的实施方式中，每个重复单位元可具有不同横截面积而且不同高度和/或形状的多个柱。虽然在这个构造中在每个单位元中有四个柱，但是其它构造可包括每单位元较大或较小的柱数量。
图9包括子部分9A至9F，显示大体二维(2D)薄膜/膜片实施方式的不同示例实施方式。图9A例如显示大体二维(2D)薄膜介质的第六实施方式的不同透视图，该薄膜介质包括设置在薄膜介质的第一和第二表面上(例如在介质的顶面和底面上)的二维(2D)周期性阵列，其中柱的厚度(例如直径)在介质表面上的不同位置随机变化。在这个实施方式中，每侧上的柱具有相同高度，并且顶部每个柱的高度不同于底部。在另一实施方式中，顶部每个柱的高度可与底部相同。虽然在图9A中的两侧上显示柱，但是另一实施方式可具有类似的柱构造但仅在单侧上。
图9B显示大体二维(2D)薄膜介质的第七实施方式的不同透视图，该薄膜介质包括设置在薄膜介质的第一和第二表面上(例如在介质的顶面和底面上)的二维(2D)周期性阵列，其中柱的高度在介质表面上的不同位置随机变化。在这个实施方式中，每侧上的柱具有相同厚度(例如直径)，并且顶部每个柱的厚度与底部相同。在另一实施方式中，顶部每个柱的厚度可不同于底部。虽然在图9A中的两侧上显示柱，但是另一实施方式可具有类似的柱构造但仅在单侧上。
图9C显示大体二维(2D)薄膜介质的第八实施方式的不同透视图，该薄膜介质包括设置在单个表面上(例如在顶面上)的柱并且柱的位置和高度随机而它们的厚度都相同。虽然在图9C中的单侧上显示柱，但是另一实施方式可具有类似的柱构造但在薄膜介质的两个表面上。
图9D显示大体二维(2D)薄膜介质的第九实施方式的不同透视图，该薄膜介质包括设置在单个表面上(例如在顶面上)的柱并且柱的位置和厚度随机而它们的高度都相同。虽然在图9D中的单侧上显示柱，但是另一实施方式可具有类似的柱构造但在薄膜介质的两个表面上。
图9E显示大体二维薄膜介质的第十实施方式的不同透视图，该薄膜介质包括在单个表面上(例如在顶面上)的柱的随机(即非周期)阵列，其中柱的厚度(例如直径)、形状和高度在不同位置随机变化。虽然在图9E中的单侧上显示柱，但是另一实施方式可具有类似的柱构造但在薄膜介质的两个表面上。
图9F显示基于图2A中显示的柱状薄膜材料的竖直堆叠的第十一实施方式的构造。其它附图中显示的不同特征例如柱间隔(例如参见图2C)、多柱单位元(例如参见图2D和2E)、壁状构造(例如参见图11A和11B和它们的相应描述)和随机柱(例如参见图9A和9D)还可应用于这种竖直堆叠构造。虽然附图作为实例显示彼此顶部上堆叠的三层柱状薄膜，但堆叠的柱状薄膜的层数可变化。
图10包括子部分10A和10B从而显示大体二维(2D)薄膜/膜片实施方式的不同示例实施方式。图10A例如显示大体二维薄膜介质的另一实施方式的不同透视图，该薄膜介质包括具有由薄臂(例如梁)支撑的中心圆柱的桥式结构。在这个实施方式中，例如，单位元可重复以形成周期性或非周期阵列。在这个构造中中心圆柱(其可具有与薄膜的主体相同的材料或较重的材料)充当局部振荡器/共振器(具有它包含的所有振动原子)。在这个构造中可使用振荡器/共振器(具有它们包含的所有振动原子)的其它形状(例如方柱、球、其它)，并且支撑臂也可具有其它形状、数量和取向。这个构造概念还可以2D厚板状材料的形式实现，其中每个振荡器/共振器(具有它包含的所有振动原子)采用圆柱、或球或其它形状的形状。
图10B显示大体二维薄膜介质的另一实施方式的不同透视图，该薄膜介质具有环状夹杂物的周期阵列，所述夹杂物包含高度柔性材料(即比制造薄膜主体的材料刚性显著更小的材料)。在这个特定实施方式中，例如，在这个构造中的每个柔性材料夹杂物可充当振荡器/共振器(具有它包含的所有振动原子)(即与图2A中的每个柱类似)。还可采用夹杂物的其它形状和尺寸。柔性夹杂物的位置可以周期性方式排列(如所示)，或者可随机分布(如图9C和9D中)。类似地，每个夹杂物的尺寸可为均匀的或可成组变化(如图2D和2E中)或随机变化。
图11包括子部分11A和11B，显示示例大体二维(2D)薄膜实施方式。图11A例如显示大体二维(2D)薄膜介质的另一实施方式的不同透视图，该薄膜介质包括设置在薄膜介质的第一表面(例如薄膜介质的顶面)上等尺寸的壁的一维(1D)周期性阵列。在这个特定实施方式中，每个壁充当振荡器/共振器(具有它包含的所有振动原子)从而表示柱的2D变体。壁具有沿长度的均匀横截面，但是其它构造可具有沿着壁的长度周期性或非周期变化的横截面。虽然在图11A中的单侧上显示壁，但是另一实施方式可具有类似的壁构造但在薄膜介质的两个表面上。
图11B显示大体二维(2D)薄膜介质的另一实施方式的不同透视图，该薄膜介质包括设置在薄膜介质的第一表面(例如薄膜介质的顶面)上等尺寸的壁的二维(2D)周期性阵列。在这个特定实施方式中，每个壁充当振荡器/共振器(具有它包含的所有振动原子)从而表示柱的2D变体。每个壁具有沿长度的均匀横截面，但是其它构造可具有沿着每个壁的长度周期性或非周期变化的横截面。竖直壁的厚度可不同于水平壁的厚度。虽然在图11B中的单侧上显示壁，但是另一实施方式可具有类似的壁构造但在薄膜介质的两个表面上。
图12包括子部分12A和12B，显示实例大体一维(1D)实施方式。
图12A显示大体一维(1D)线、棒、柱或梁介质的另一实施方式的不同透视图，所述介质包括沿着主体介质的周长设置的等尺寸的柱的循环的周期阵列。在这个特定实施方式中，每个柱充当振荡器/共振器(具有它包含的所有振动原子)。在其它实施方式中，柱可具有其它形状。虽然在这个构造中八个柱在每个晶格位置突起，但是其它构造可包括每个晶格位置较大或较小的柱数量。
图12B显示大体一维(1D)线、棒、柱或梁介质的另一实施方式的不同透视图，所述介质包括沿着主体介质的周长设置的具有不同高度的柱的循环分布。在这个特定实施方式中，每个柱充当振荡器/共振器(具有它包含的所有振动原子)。在其它实施方式中，柱可具有其它形状。虽然在这个构造中四个柱在每个晶格位置突起，但是其它构造可包括每个晶格位置较大或较小的柱数量。此外，在其它实施方式中，柱的径向分布可为随机的。此外，在其它实施方式中，柱的高度和/或形状和/或厚度沿着径向和轴向都可为随机的。
图13包括子部分13A和13B，显示示例大体一维(1D)实施方式。图13A例如显示大体一维(1D)线、棒、柱或梁介质的另一实施方式的不同透视图，所述介质包括沿着主体介质的轴设置的圆柱的一维(1D)周期阵列。在这个特定实施方式中，每个圆柱充当振荡器/共振器(具有它包含的所有振动原子)。在其它实施方式中，圆柱可具有其它形状。
图13B显示大体一维(1D)线、棒、柱或梁介质的另一实施方式的不同透视图，所述介质包括一维(1D)周期阵列，其中每个单位元由沿着主体介质的轴布置的不同直径和/或厚度的多个圆柱组成。在这个特定实施方式中，每个圆柱充当振荡器/共振器(具有它包含的所有振动原子)。在其它实施方式中，圆柱可具有其它形状。虽然在这个构造中在每个单位元中有三个圆柱，但是其它构造可包括每单位元较大或较小的圆柱数。此外，在其它实施方式中，沿着主体的轴的圆柱的尺寸、形状和定位都可为随机的。
图3显示柱的各种形状和设计。任何的这些设计，或者将允许柱用作振荡器/共振器(具有它包含的所有振动原子)的其它形状，可以结合图2、9和12显示的许多设计概念/特征来应用。
图14包括子部分14A和14B，显示示例大体三维(3D)实施方式。图14A例如显示3D材料构造的另一实施方式的不同透视图，该3D材料构造包括具有由薄臂(例如梁)支撑的中心球的桥式结构。在这个实施方式中，例如，单位元可重复以形成周期性或非周期阵列。在这个构造中中心球(其可具有与薄膜的主体相同的材料或较重的材料)充当局部振荡器/共振器(具有它包含的所有振动原子)。在这个构造中可使用振荡器/共振器(具有它们包含的所有振动原子)的其它形状(例如立方球、圆柱、其它)，并且支撑臂也可具有其它形状、数量和取向。类似于图10A中显示的构造(其为2D变体)，局部共振器的位置可以周期性方式排列(如所示)或者可随机分布。
图14B显示具有立方夹杂物的周期阵列的3D材料构造，所述夹杂物包含高度柔性材料(即比制造主体的材料刚性显著更小的材料)。在这个构造中的柔性材料充当具有它包含的所有振动原子的振荡器/共振器(即与图2A中的柱类似)。可采用夹杂物的其它形状。类似于图10B中显示的构造(其为2D变体)，柔性夹杂物的位置可以周期性方式排列(如所示)或者可随机分布。类似地，每个夹杂物的尺寸可为均匀的或可成组变化或随机变化。
图15A至21包括可以任何数量的维度衡量的声子超构材料的示例实施方式，所述维度例如纳米尺度、微米尺度、毫米尺度或者甚至更大或更小尺度。各种实施方式例如可包括设置在至少部分晶态的基体材料内的原子无序的夹杂物(例如无定形夹杂物)和/或设置在至少部分晶态的基体材料附近、与至少部分晶态的基体材料相邻或并列的原子无序材料(例如无定形材料)的层/柱/壁。类似于参照图2、3、5A、5B和9-14讨论的实施方式，例如，在至少部分晶态的基体材料内或附近的原子无序(例如无定形)材料的夹杂物和/或层可通过使由夹杂物和/或延伸的亚结构(例如层、柱、壁、板、环)形成的至少一个局部共振振荡器(包括由原子振动所致的那些)产生的一个或多个振动模态与声子中的一个或多个相互作用从而降低在至少部分晶态的基体材料中行进的声子的群速度。此外，可降低通过材料的热传输同时至少实质上允许电子传输通过一个(或多个)基体材料通道。
在图15A至28中显示的夹杂物和/或延伸亚结构(例如层、柱、壁等)可采用如附图中显示的各种分布、形状和尺寸，并且可位于主体内或从主体突出。此外，夹杂物和/或延伸亚结构可采用各种取向和材料组成。夹杂物和/或延伸亚结构可以完美的周期性方式、随机地或以任何其它方式分布。夹杂物和/或延伸亚结构的几何形状尺寸可为相同的，或可在组内变化由此整个组以相同的方式重复，或可以随机方式变化，或可以任何其它图案或方式布置。在一个特定实施方式中，例如，原子无序的夹杂物和/或延伸亚结构可分布在超构材料内，使得由原子无序的夹杂物和/或延伸亚结构产生的振动模态大致延伸遍及超构材料的至少部分晶态的基体材料，并因此能够与该基体材料内通过的声子相互作用并且降低在至少部分晶态的热电基体材料中行进的声子的一个或多个群速度。此外，可降低通过材料的热传输同时至少实质上允许电子传输通过一个(或多个)基体材料通道。
图15A-15C显示例如可在块状或其它材料例如二维或一维材料如膜片或线内分别使用的三维(3D)单位元10的示例实施方式。在一个实施方式中，例如，单位元10可包含块状材料的单位元，例如包括单位元周期性阵列的三维(3D)块状材料构造，该单位元每个包括设置在基体材料16内的一个或多个夹杂物14(例如图15A中显示的立方夹杂物14)。图15A显示例如3D单位元10的实施方式，该3D单位元10包含晶态17(例如单晶或部分晶态)基体材料16结构，其包括设置在晶态17基体材料16结构内的一个或多个夹杂物14。虽然图15A显示单个夹杂物14，但是单位元可包括设置在晶态结构内的多个夹杂物。图15B显示图15A的单位元的侧视图。
例如，可三维重复单位元10以形成如图15C中显示的三维(3D)块状材料12。类似地，可重复单位元以产生二维(2D)或一维结构例如本文描述的。在各种实施方式中夹杂物14可完全或部分包含原子无序(例如无定形)材料18(即完全或部分非晶的材料)。夹杂物材料在这个特定构造中还可由多晶材料或单晶材料制成。夹杂物材料例如可为与基体材料相同类型的材料，或可由任何其它材料例如但不限于半导体、金属、陶瓷、聚合物和/或一种(或多种)复合材料制成。夹杂物材料在这个特定构造中例如可由聚合物或部分聚合的材料制成。在一个特定实施方式中，例如，单位元的基体材料可由单晶硅构成并且一个或多个夹杂物可由无定形硅或氧化硅制成。夹杂物材料在这个构造中充当一个或多个振荡器/共振器，其中夹杂物部分中的每个原子表现出三个固有频率/杂化共振。振荡器/共振器产生多个局部振动模态，其与运动通过一个(或多个)基体材料通道的多个声子相互作用并减慢至少一部分相互作用的声子的群速度。此外，可降低通过材料的热传输同时至少实质上允许电子传输通过一个或多个基体材料通道或传输区域19。还可采用夹杂物的其它形状。类似于图10B中显示的构造(其为二维变体)，夹杂物材料的位置可以周期性方式排列(如所示)和/或可随机分布。类似地，每个夹杂物(例如在一个或多个单位元内)的尺寸可为均匀的或可成组变化或随机变化。
图16A和16B显示例如可在块状或其它材料例如二维或一维材料如膜片或线内分别使用的三维(3D)单位元20的另一示例实施方式。在一个实施方式中，例如，单位元可包含块状基体材料26的单位元20，例如包括材料28附着层24的三维(3D)块状基体材料构造，所述材料28完全或部分包含原子无序(例如无定形)材料(即完全或部分非晶的材料)。附着层24可具有任何厚度并可完全或部分覆盖基体材料。附着层材料28在这个特定构造中还可由多晶材料或单晶材料制成。附着层可具有与基体材料相同类型的材料，或可由任何其它材料例如但不限于半导体、金属、陶瓷、聚合物和/或复合材料制成。附着层在这个特定构造中例如可由聚合物或部分聚合的材料制成。图16A显示例如3D单位元的实施方式，该3D单位元包含基体材料26，所述基体材料包含晶态材料(例如单晶或部分晶态)结构27，其包括与晶态结构27相邻、并列或晶态结构27附近设置的一个或多个附着层。虽然图16A显示单个附着层24，但是单位元可包括与包含晶态结构27的基体材料26相邻、并列或包含晶态结构27的基体材料26附近设置的多个附着层(例如在单位元的相对侧上)。图16B显示图16A的单位元的侧视图。
在一个特定实施方式中，例如，基体材料26可由单晶硅构成并且附着层由无定形硅或氧化硅构成。附着层24在这个构造中充当一个或多个振荡器/共振器，其中无定形部分中的每个原子表现出三个固有频率/杂化共振。振荡器/共振器产生多个局部振动模态，其与运动通过一个(或多个)基体材料通道的多个声子相互作用并减慢至少一部分相互作用的声子的群速度。此外，可降低通过材料的热传输同时至少实质上允许电子传输通过一个或多个基体材料通道。可采用附着层的其它形状、尺寸、厚度或空间分布。同样，可在一侧或多于一侧上将附着层附着至基体材料。类似于图10B中显示的构造(其为2D实例)，附着层材料的位置可以周期性方式排列(如所示)或者可随机分布或者可连续地覆盖表面。类似地，每个附着层的尺寸可为均匀的或可成组变化或随机变化。
图17显示包括多个晶态(例如单晶或部分晶态)热电材料层36的材料的一个或多个单位元30的又一示例实施方式的实例，所述材料例如硅或其它至少部分晶态的材料37，被构造用于通过在一个或多个附着层34之间插入的材料36的热传输。材料例如可包含块状3D材料、2D材料或1D材料。与晶态的热电基体材料部件36相邻、并列或晶态的热电基体材料部件36附近设置原子无序(例如无定形)材料38的一个或多个层34。原子无序(例如无定形)材料层34例如可包含原子无序(例如无定形)材料38(即完全或部分非晶的材料)。插入层材料在这个特定构造中还可由多晶材料或单晶材料制成。一个(或多个)附着层可具有与基体材料相同类型的材料，或可由任何其它材料例如但不限于半导体、金属、陶瓷、聚合物和/或复合材料制成。插入层在这个特定构造中可例如由聚合物或部分聚合的材料制成。在这个特定实施方式中，单位元例如包含被构造用于通过单位元的热传输的多个晶态热电材料层和与一个或多个晶态热电材料层相邻、并列或一个或多个晶态热电材料层附近设置的多个附着层。
在一个特定实施方式中，例如，一个(或多个)基体晶态材料层可由单晶硅构成并且一个(或多个)附着层由无定形硅或氧化硅构成。一个(或多个)附着层在这个构造中充当一个或多个振荡器/共振器，其中无定形部分中的每个原子表现出三个固有频率/杂化共振。振荡器/共振器产生多个局部振动模态，其与运动通过一个(或多个)基体材料通道的多个声子相互作用并减慢至少一部分相互作用的声子的群速度。此外，可降低通过材料的热传输同时至少实质上允许电子传输通过一个或多个基体材料通道。可采用附着层的其它形状、尺寸、厚度或空间分布。同样，可在一侧或多于一侧上将附着层附着至基体材料。类似于图10B中显示的构造(其为2D实例)，附着层材料的位置可以周期性方式排列(如所示)或者可在基体晶态材料内随机分布或者可在基体晶态材料内采用连续形式。类似地，每个附着层的尺寸可为均匀的或可成组变化或随机变化。
在图17中显示的特定实施方式中，例如，多个传输“通道”39由设置在原子无序(例如无定形)材料的附着层34之间的单位元内的多个基体材料晶态材料层36形成，所述附着层设置在基体晶态材料37的两个或更多个通道39之间。原子无序(例如无定形)材料38的附着层34充当一个或多个振荡器/共振器，其在至少部分晶态的一个(或多个)基体材料通道内产生多个局部振动模态(包括起源于原子振动的那些)并与运动通过一个(或多个)基体材料通道的多个声子相互作用并减慢至少一部分相互作用的声子的群速度。以这个方式，可降低通过材料的热传输同时至少实质上允许电子传输通过一个(或多个)基体材料通道。
图18显示包括多个晶态(例如单晶或部分晶态)热电基体材料层46的材料(例如硅或其它材料)的一个或多个单位元40的另一实施方式，其包括一个或多个夹杂物42(例如图15A-15C中显示的)并且还包括与基体材料层46相邻、并列或基体材料层46附近设置的一个或多个附着层44(例如图16A和16B中显示的)。一个(或多个)基体材料层46，例如，可包含晶态(例如单晶或部分晶态)结构，其包括设置在基体材料46的晶态结构内的一个或多个夹杂物42。一个(或多个)夹杂物42和一个(或多个)原子无序(例如无定形)材料层44例如可包含一种或多种无定形材料48(即完全或部分非晶的材料)。
材料例如可包含块状3D材料、2D材料或1D材料。与具有一个(或多个)夹杂物42的晶态的热电基体材料46相邻、并列或在具有一个(或多个)夹杂物42的晶态的热电基体材料46附近设置无定形材料47附着层的一个或多个层44。在一个特定实施方式中，例如，一个(或多个)夹杂物和附着层材料还可由多晶材料或单晶材料制成。一个(或多个)夹杂物和一个(或多个)附着层可具有与基体材料或其它无定形材料相同类型的材料，或可由任何其它材料例如但不限于半导体、金属、陶瓷、聚合物和/或复合材料制成。在这个特定实施方式中，单位元例如包含被构造用于通过单位元的热传输的多个晶态热电材料层。一个或多个夹杂物可设置在热电材料层内并且一个或多个附着层可与一个或多个晶态热电材料层相邻、并列或在一个或多个晶态热电材料层附近设置。
在一个特定实施方式中，例如，一个(或多个)基体晶态材料层可由单晶硅构成并且一个(或多个)夹杂物和一个(或多个)附着层由无定形硅或氧化硅构成。一个(或多个)夹杂物和一个(或多个)附着层在这个构造中充当一个或多个振荡器/共振器，其中无定形部分中的每个原子表现出三个固有频率/杂化共振。可采用附着层的其它形状、尺寸、厚度或空间分布。同样，可在一侧或多于一侧上将附着层附着至基体材料。类似于图10B中显示的构造(其为2D实例)，附着层材料的位置可以周期性方式排列(如所示)或者可在基体晶态材料内随机分布或者可在基体晶态材料内采用连续形式。类似地，每个附着层的尺寸可为均匀的或可成组变化或随机变化。
在图18中显示的特定实施方式中，例如，多个传输“通道”由设置在单位元内的多个基体晶态材料层形成。设置在基体晶态材料的两个或更多个通道之间的无定形材料的附着层和一个(或多个)夹杂物充当一个或多个振荡器/共振器，其在一个(或多个)至少部分晶态的基体材料通道内产生多个局部振动模态，并与运动通过一个(或多个)基体材料通道的多个声子相互作用并减慢至少一部分相互作用的声子的群速度。以这个方式，可降低通过材料的热传输同时至少实质上允许电子传输通过一个(或多个)基体材料通道。
图19显示适于减慢流过晶态材料的一个或多个声子的群速度的复合材料50的示例实施方式。在这个特定实施方式中，例如，晶态基体材料56(例如单晶或部分晶态材料57)限定传输区域59以及与复合材料50的传输区域59相邻、并列或在复合材料50的传输区域59附近设置的一个或多个柱54，例如以上关于图2、3、9、11、12和13描述的。一个或多个柱54充当一个或多个振荡器/共振器，其在至少部分晶态的基体材料56的传输区域59内产生多个局部振动模态(包括由原子振动所致的那些)并与运动通过传输区域59的多个声子相互作用并减慢至少一部分相互作用的声子的群速度。此外，可降低通过基体材料56的热传输同时至少实质上允许电子传输通过一个或多个基体材料通道59。复合材料50还包含设置在传输区域内的一个或多个夹杂物52。如以上关于以上图15A-15C和18所述，夹杂物52类似地充当一个或多个振荡器/共振器，其在至少部分晶态的基体材料的传输区域内产生多个局部振动模态(包括由原子振动所致的那些)并与运动通过传输区域的多个声子相互作用并减慢至少一部分相互作用的声子的群速度。以这个方式，可通过柱54和/或夹杂物52降低通过复合材料50的传输区域59的热传输同时至少实质上允许电子传输通过复合材料的传输区域59。
图20A和20B显示适于减慢流过晶态基体材料66的一个或多个声子的群速度的复合材料60的另一示例实施方式。在这个特定实施方式中，例如，晶态基体材料(例如单晶或部分晶态材料)限定传输区域69以及离开复合材料60的传输区域69延伸的一个或多个环或板或柱64，例如以上关于图13描述的。一个或多个环或板或柱64充当一个或多个振荡器/共振器，其在至少部分晶态的基体材料66的传输区域内产生多个局部振动模态(包括由原子振动所致的那些)并与运动通过传输区域69的多个声子相互作用并减慢至少一部分相互作用的声子的群速度。复合材料60还包含设置在传输区域69内的一个或多个夹杂物62。如以上关于以上图15A-15C和18所述，夹杂物62类似地充当一个或多个振荡器/共振器，其在至少部分晶态的基体材料66的传输区域69内产生多个局部振动模态(包括由原子振动所致的那些)并与运动通过传输区域69的多个声子相互作用并减慢至少一部分相互作用的声子的群速度。以这个方式，可通过板、环、柱64和/或夹杂物62降低通过复合材料的传输区域69的热传输同时至少实质上允许电子传输通过复合材料的传输区域。
图21显示使用块状声子(例如纳米声子)超构材料的热电装置的示例实施方式，所述块状声子超构材料例如具有无定形材料例如无定形硅或氧化硅的一个或多个周期性或非周期夹杂物的单晶硅材料(例如图15中显示)和/或具有无定形材料例如无定形硅或氧化硅的一个或多个附着层的单晶硅材料(例如图16中显示)和/或具有无定形材料例如无定形硅或氧化硅的一个或多个嵌入层的单晶硅材料(例如图17中显示)。在这些特定实施方式中，例如，可以以期望改进电性质的任何水平掺杂块状声子(例如纳米声子)超构材料，从而形成p型半导体材料和/或n型半导体材料。此外，声子(例如纳米声子)超构材料的传输部分可与其它元素合金化以进一步降低热导率，同时对电性质例如电导率和塞贝克系数具有最小的影响。
图22A、22B、23A和23B描述适于减慢流过至少部分晶态材料的一个或多个声子的群速度的复合材料70、80的其它示例实施方式。在图22A和22B中，例如，复合材料70包括具有延伸亚结构74(例如柱)的二维薄膜/膜片基体材料结构76。图23A和23B显示复合材料80，其包括具有延伸亚结构84(例如板或环)的一维(例如线)基体材料结构86。在这个特定实施方式中，例如，复合材料70、80包括至少部分晶态的热电基体材料。热电基体材料包括基体材料区域76、86。基体材料区域76、86包括至少部分晶态的传输区域79、89和至少一个原子无序的振荡器/共振器区域72、82。至少一个传输区域79、89包括通过至少部分晶态的热电基体材料的一个或多个传输路径(由箭头显示)，并且被构造为允许电子至少相对未受一个或多个原子无序的振荡器/共振器区域72、82的一个或多个原子无序材料(例如一个或多个原子无序夹杂物)阻碍地流过热电基体材料，所述区域设置在与一个(或多个)传输区域79、89并列的基体材料区域76、86内。原子无序的振荡器/共振器区域72、82适于通过原子无序的振荡器/共振器区域72、82(例如一个或多个原子无序的夹杂物)的原子无序材料(例如无定形材料)内的一个或多个原子的运动提供局部共振。局部共振进而行进到至少部分晶态的热电基体材料的一个(或多个)传输区域79、89中，并与行进通过传输区域79、89的一个或多个声子相互作用从而降低群速度和复合材料70、80的热导率。在这个特定实施方式中，例如，原子无序的振荡器/共振器区域72、82可包含设置在至少部分晶态的热电基体材料内的原子无序(例如无定形)材料的连续夹杂物，或者可包括原子无序(例如无定形)材料的多个单独夹杂物。虽然图22和23显示形成原子无序的振荡器/共振器区域的原子无序材料的单个连续夹杂物，但是多个连续或不连续的夹杂物也可用于形成设置在热电基体材料区域内的一个或多个原子无序的振荡器/共振器区域。然而，一个(或多个)夹杂物内原子的局部共振延伸到一个(或多个)传输区域并且与通过该区域的声子相互作用。因此，可将基体材料区域构造为允许电子通过一个(或多个)传输区域而基本上不受一个(或多个)夹杂物阻碍，同时仍允许夹杂物的局部共振与通过同一传输区域的一个或多个声子相互作用。
图22A、22B、23A和23B中显示的复合材料还包括一个或多个延伸亚结构74、84，其离开热电基体材料区域76、86的表面向外延伸(例如图22的2D薄膜/膜片基体材料或图23的1D线基体材料)。延伸亚结构74、84例如可包含离开至少部分晶态的基体材料区域延伸的任何结构，例如但不限于柱、壁、环、板、层等。在图22A、22B、23A和23B中显示的特定实施方式中，例如，多个延伸亚结构74、84离开热电基体材料区域76、86的表面延伸，并提供适于产生局部共振的局部振荡器/共振器，其通过延伸亚结构的一个或多个原子的运动而延伸到基体材料的一个或多个传输区域79、89中。延伸亚结构的局部共振类似地与通过基体材料区域的一个(或多个)传输区域的声子相互作用并减小声子的群速度并可降低复合材料的热导率。虽然图22A、22B、23A和23B显示离开包括由至少部分晶态的材料形成的传输区域的基体材料区域的表面延伸的特定类型的亚结构(例如柱/壁/板/环)，所述至少部分晶态的材料可为与至少部分晶态的热电基体材料相同或不同的材料，但是延伸亚结构的一些或全部可同样由如本文描述的原子无序(例如无定形)材料形成。
图24描述包括声子超构材料的块状复合材料90的又一示例实施方式。在这个特定实施方式中，例如，复合材料90包含基体材料区域96，其包括至少部分晶态的热电传输区域99和至少一个原子无序的振荡器/共振器区域92。传输区域99包括基体材料区域96的一个或多个传输区域。至少部分晶态的基体材料区域96提供一个或多个传输区域99，用于电子和声子经由通过至少部分晶态的热电基体材料延伸的一个或多个传输路径(由箭头显示)流过热电结构。一个(或多个)传输区域99被构造为允许电子至少相对未受与一个(或多个)传输区域并列的基体材料的基体材料区域96内设置的一个或多个原子无序振荡器/共振器区域92的一个或多个原子无序材料(例如一个或多个原子无序夹杂物)阻碍而流过热电基体材料。复合材料还包含离开基体材料区域96的表面延伸的至少一个延伸亚结构94(例如层、柱、壁、环、板)。在图24中显示的特定实施方式中，例如，复合材料90包括多个延伸亚结构94(其在至少两个方向上离开包括至少部分晶态的传输区域99的基体材料区域96的表面延伸)和在与两个相对的传输区域相邻的传输区域99内设置的原子无序(例如无定形)材料的连续夹杂物92。这些延伸亚结构94例如可包含离开基体材料区域延伸的任何结构，例如但不限于柱、壁、环、板、层等。
在这个特定实施方式中，复合材料90包括块状复合结构，其包括基体材料区域96，延伸亚结构94从基体材料区域延伸。至少部分晶态的传输区域99和延伸亚结构94例如可包含相同或不同的一种(或多种)至少部分晶态的材料(例如单晶硅或其它热电材料)，如图24中显示。类似地，延伸亚结构94可包含与原子无序振荡器/共振器区域92相同或不同的原子无序(例如无定形)材料。
基体材料区域96和一个或多个延伸亚结构94还设置在原子无序(例如无定形)材料的基质98内。在一个特定实施方式中，例如，无定形材料的基质98可包含软的无定形材料，在其内设置(例如包住、包围等)基体材料区域和一个或多个延伸亚结构，但是还设想其它实施方式。在各个实施方式中，例如，可一维、二维或三维地包围(例如至少部分包围或完全包围)基体材料区域96和延伸亚结构94。
包围的基质98材料在这个构造中还可充当一个或多个振荡器/共振器，其中原子无序(例如无定形)包围材料中的每个原子表现出三个固有频率/杂化共振。由包围的原子无序材料形成的振荡器/共振器可产生多个局部振动模态，其与运动通过一个(或多个)基体材料通道的多个声子相互作用并减慢至少一部分相互作用的声子的群速度。此外，可降低通过基体材料的热传输同时至少实质上允许电子传输通过一个或多个基体材料通道。
包围的基质98材料(无论其是晶态、至少部分晶态或原子无序材料)还可用于将减小尺寸的结构(例如2D或1D基体材料)转化为可在标准热电装置中使用的3D块状声子超构材料，例如图21中显示的一个。当包围的复合材料包括适于移动的延伸亚结构从而提供一个或多个杂化共振时，包围的基质材料可包含相对软的、柔韧的或其它材料，例如聚合物材料，其例如适于允许那些延伸亚结构至少在原子尺度上移动。
虽然基体材料区域的一个特定结构和延伸亚结构在图24中显示与图22中显示的结构类似，但是任何本文公开(例如图2、3、9、10、11、12、13、16、17、18、19、20、22、23)的其它结构可类似地设置在无定形或软材料的一个或多个基质内。
在这些实施方式中，例如，一个(或多个)外基质可提供局部共振(起源于原子和结构运动)，局部共振还与通过基体材料的传输区域的声子相互作用，其可减小一个(或多个)声子的群速度并降低复合材料的热导率。
图25、26A和26B描述包括声子超构材料的块状复合材料100的另一示例实施方式。在这个特定实施方式中，例如，复合材料100包含一个或多个额外的内部夹杂物103(例如设置在一个或多个外部夹杂物102内部的一个(或多个)额外夹杂物)。设置在外部原子无序的夹杂物102内的内部夹杂物103，例如，可适于改变外部原子无序的夹杂物102的一个或多个特征。例如，设置在一个或多个原子无序外部夹杂物102内的内部夹杂物103可适于改变原子无序外部夹杂物102内的一个或多个原子运动。在一个实施方式中，例如，一个(或多个)内部夹杂物103可比包围的原子无序外部夹杂物102相对更重或更致密。一个(或多个)内部夹杂物103可为原子无序或有序的材料。类似地，一个(或多个)外部夹杂物103可为原子无序或有序的材料。外部夹杂物可为软材料例如橡胶或其它聚合物。内部和外部夹杂物可采用任何形状例如立方体、球等。一个(或多个)内部夹杂物103可改变(例如降低或提高)从复合材料100的原子无序外部夹杂物起源和/或促进的共振频率。在一个特定实施方式中，例如，内部夹杂物可比将其支撑的原子无序(例如无定形)夹杂物102相对更重或更致密，并且原子无序(例如无定形)夹杂物可包含比内部夹杂物103更软的材料。在这个实施方式中，悬浮在软材料内的较重材料可导致局部共振的频率降低。因此，一个(或多个)复合结构(原子无序外部夹杂物102内的一个(或多个)内部夹杂物103)可用于改变一个或多个杂化共振，在一些实施方式中，其可通过把携带相对更多热的一个或多个声子作为目标而进一步提高降低基体传输材料中热导率的有效性。此外，在一些实施方式中，可优化内部夹杂物和外部夹杂物的组合从而产生来自一个(或多个)夹杂物的共振的分布，其通过共振杂化有效降低基体传输材料和作为整体的系统的热导率。
虽然图25、26A和26B显示设置在原子无序外部夹杂物102内的内部夹杂物103，但是内部夹杂物103可类似地设置在一个或多个至少部分晶态的振荡器/共振器材料例如从包括传输区域的基体材料106延伸的亚结构内。在这些实施方式中，例如，一种或多种材料(有序或无序的)可设置在至少部分晶态的层、柱、壁、板、环或其它结构内。内部夹杂物例如可适于改变至少部分晶态的延伸亚结构内的原子运动。在其它实施方式中，延伸结构可完全由一种或多种重材料制成。相对重或致密的材料，例如金属材料，例如可用于降低延伸亚结构内的一个或多个原子运动的频率，并从而改变所产生的一个(或多个)杂化共振。
图27描述包括声子超构材料的块状复合材料110的又一示例实施方式，其说明在图24中显示的包围的原子无序基体和设置在这个实施方式中的连续的原子无序外部夹杂物内的在图25和26中显示的内部夹杂物的组合。因此，在这个实施方式中，复合材料110包括基体材料区域116，所述区域包含限定了一个或多个传输路径(由箭头显示)用于携带电子和声子流过复合材料110的至少部分晶态的传输区域119。一个或多个原子无序夹杂物112设置在至少大致在一个(或多个)传输区域119外部的基体材料区域内从而降低由于一个(或多个)夹杂物112的物理干扰所致在一个(或多个)传输区域内电子流的物理干扰。提供一个或多个额外的内部夹杂物113(例如设置在一个或多个外部夹杂物内部的一个(或多个)额外夹杂物)。在这个特定实施方式中，内部夹杂物113设置在连续的外部原子无序的夹杂物112内并且可适于例如改变连续的外部原子无序的夹杂物112的一个或多个特性。设置在原子无序的连续外部夹杂物112内的内部夹杂物113可适于改变原子无序外部夹杂物112内的一个或多个原子运动。在一个实施方式中，例如，一个(或多个)内部夹杂物113可比包围的原子无序外部夹杂物112相对更重或更致密。一个(或多个)内部夹杂物113可为原子无序或有序的材料。类似地，一个(或多个)外部夹杂物103可为原子无序或有序的材料。外部夹杂物可为软材料例如橡胶或其它聚合物。内部和外部夹杂物可采用任何形状例如立方体、球等。一个(或多个)内部夹杂物113可改变(例如降低或提高)从复合材料的原子无序外部夹杂物112起源和/或促进的共振频率。因此，一个(或多个)复合结构(原子无序外部夹杂物112内的一个(或多个)内部夹杂物113)可用于改变一个或多个杂化共振，在一些实施方式中，其可通过把携带相对更多热的一个或多个声子作为目标而进一步提高降低基体传输材料中热导率的有效性。此外，在一些实施方式中，可优化内部夹杂物113从而产生来自原子无序的一个(或多个)外部夹杂物的共振的分布，其通过共振杂化有效降低基体传输材料和作为整体的系统的热导率。
此外，在一些实施方式中，可优化设置在延伸亚结构114(例如柱、壁、板、环、层)内的夹杂物115以产生共振的分布，其通过共振杂化有效降低基体传输材料和作为整体的系统的热导率。在其它实施方式中，延伸结构可完全由一种或多种重材料制成。如可在图27中进一步看到，基体材料区域116和延伸亚结构114(例如柱/壁)还设置在原子无序(例如无定形)材料的基质118内。在一个特定实施方式中，例如，原子无序材料的基质118可包含软的无定形材料，在其内设置基体材料区域和延伸亚结构(例如柱/壁)，但是还设想其它实施方式。
包围的基质材料在这个构造中还可充当一个或多个振荡器/共振器，其中原子无序(例如无定形)包围材料中的每个原子表现出三个固有频率/杂化共振。由包围的原子无序材料形成的振荡器/共振器可产生多个局部振动模态，其与运动通过一个(或多个)基体材料通道的多个声子相互作用并减慢至少一部分相互作用的声子的群速度。此外，可降低通过基体材料的热传输同时至少实质上允许电子传输通过一个或多个基体材料通道。
在图27的特定实施方式中，例如，块状复合材料提供来自延伸亚结构的杂化共振、可由一个或多个额外的内部夹杂物改变的原子无序夹杂物以及来自包围的外部基质的额外的杂化共振。
在又一实施方式中，包围的基质材料可包含晶态或至少部分晶态的材料，其使2D或1D复合材料改造成例如以上关于图24描述的块状3D复合材料。
图28显示包括声子超构材料的实例块状复合材料120的又一实施方式。在这个特定实施方式中，例如，块状复合材料120包括基体材料区域126，所述区域包含限定了一个或多个传输路径(由箭头显示)用于携带电子和声子流过复合材料120的至少部分晶态的传输区域129。一个或多个原子无序夹杂物122设置在至少大致在一个(或多个)传输区域129外部的基体材料区域126内从而降低由于一个(或多个)夹杂物122的物理干扰所致在一个(或多个)传输区域129内电子流的物理干扰。在这个特定实施方式中，例如，一个或多个额外的内部夹杂物123(例如相对致密或重的材料例如金属、陶瓷、非金属等)也设置在一个或多个原子无序的夹杂物122内例如图27中显示。如以上讨论的，可设计内部夹杂物123和/或原子无序夹杂物122(在其内设置内部夹杂物123)以改变(例如降低或提高)从复合材料120的原子无序夹杂物起源和/或促进的共振频率。类似地，一个(或多个)外部夹杂物103可为原子无序或有序的材料。外部夹杂物可为软材料例如橡胶或其它聚合物。内部和外部夹杂物可采用任何形状例如立方体、球等。因此，复合结构可用于改变一个或多个杂化共振以降低通过复合材料的传输区域行进的声子的群速度，在一些实施方式中，其可通过把携带相对更多热的一个或多个声子作为目标而进一步提高降低基体传输材料中热导率的有效性。
在这个特定实施方式中，例如，基体材料区域设置在原子无序材料的基体128内(例如在原子无序材料的基体128之间或被其包围)，其形成包围基体材料区域的原子无序(例如无定形)材料的基质。在这个特定实施方式中，例如，原子无序材料的基质128可包含软的无定形材料，在其内设置基体材料区域，但是还设想其它实施方式。
如以上关于图24和27讨论的，例如，外部基体材料还可充当一个或多个振荡器/共振器，其中原子无序(例如无定形)包围材料中的每个原子表现出三个固有频率/杂化共振。由包围的原子无序材料形成的振荡器/共振器可产生多个局部振动模态，其与运动通过一个(或多个)基体材料通道的多个声子相互作用并减慢至少一部分相互作用的声子的群速度。此外，可降低通过基体材料的热传输同时至少实质上允许电子传输通过一个或多个基体材料通道。
此外，虽然例如在图28中显示的特定实施方式中包围的基体材料显示为原子无序材料，但是包围的基体材料可包含晶态或至少部分晶态的材料，其使2D或1D复合材料改造成例如以上关于图24和27描述的块状3D复合材料。
此外，如图28中显示，块状复合材料可包含多个重复单元(例如单位元)，例如具有图28中显示的结构。因此，可通过一维、二维或三维重复的单个单位元来形成一维、二维或三维复合材料结构。
类似于图15A至21，图29A至42还包括可以任何数量的维度衡量的声子超构材料的示例实施方式，所述维度例如纳米尺度、微米尺度、毫米尺度或者甚至更大或更小尺度。在图29A至42中显示的各个实施方式中，例如，声子超构材料可包括设置在至少部分晶态的基体材料内的一个或多个夹杂物。在至少部分晶态的基体材料内，一个(或多个)夹杂物可至少部分被相对柔性/软材料(例如石墨)包围。在各个实施方式中，例如，夹杂物可完全或部分地被相对柔性或软材料的一个(或多个)层包围。当夹杂物部分被相对柔性或软材料的一个(或多个)层包围时，空隙可设置在夹杂物和基体材料之间在一个或多个开口中，该开口中相对柔性或软材料的一个(或多个)层没有设置在夹杂物和基体材料之间。空隙在各个示例实施方式中可包括空气、气体、真空、液体和/或固体，并且可提供用于夹杂物当其在基体材料内振动时运动的空间。在其它实施方式中，夹杂物当未被相对柔性或软材料的一个(或多个)层包围时可与基体材料直接相邻设置。
在这些实施方式中，例如，夹杂物和包围的一个(或多个)层和/或一个(或多个)空隙可作为共振器块(类似于以上关于图2、3、9、12、19、22A、22B、24、27描述的柱)工作。至少部分包围夹杂物的相对柔性/软材料(例如石墨)可作为共振器弹簧工作。作为实例，石墨提供相对有效的“弹性”软/柔性材料，其包围或至少部分包围夹杂物，因为(1)它是晶态的，并且可允许振动有效地传递到周围的基体材料，和(2)它具有相对高的熔化温度，并且允许高温(例如大于400℃)热电转换。虽然石墨提供特别有效的软/柔性材料，但是其仅是实例并且可使用其它柔性/软材料。通过将夹杂物嵌入至少部分晶态的基体材料内，可提供比一维(例如棒形)或二维(例如板或片形)声子超构材料基体材料相对容易制造的块状声子超构材料，其中许多单个层/柱/壁邻近基体材料设置并且延伸离开基体材料。
这些变体中的夹杂物可包括设置在至少部分晶态的基体材料(例如以块状形式)内的原子有序和/或原子无序的材料和/或设置在至少部分晶态的基体材料附近、与至少部分晶态的基体材料相邻或并列的原子有序和/或无序材料的层/柱/壁。在这些实施方式中，还可将至少部分晶态的基体材料内的夹杂物至少部分设置在柔性和/或可滑动材料(例如石墨)的一个或多个层内(例如至少部分被柔性和/或可滑动材料(例如石墨)的一个或多个层包围)，其中整个层内的一个或多个层的原子可相对于彼此(例如以相对低的力)振动或滑动，并因此增强夹杂物的一个(或多个)共振及其向至少部分晶态的基体材料的传输。
石墨例如包含在一个或多个方向上强键合在一起并在一个或多个其它方向上弱键合(例如通过范德华键)的原子。这种键合特征的组合给予石墨层相对高的熔化温度(例如比聚合物更高)，同时由于弱的例如范德华键，还给予石墨层沿着某些方向的高柔性或柔软性。弱键使得整个层的一个(或多个)单个原子尺度层能够通过原子层之间的振动或滑动相对于层的一个(或多个)其它原子尺度层垂直于一个(或多个)层振动和/或平行于一个(或多个)层滑动，这引起高柔性或柔软性。在一个示例实施方式中，石墨层具有这些特性，因为它包含通过弱的范德华键保持在一起的导电石墨烯层的堆叠体。这些性质允许石墨层充当弹簧从而托住充当一个或多个质量块的一个(或多个)夹杂物。例如，这样的构造可在复合材料的主体(基质/基体)材料内产生一个或多个内部共振。原则上，共振数可与夹杂物中的原子数乘以三(即每个原子的自由度数)一样多。
在其内设置一个(或多个)夹杂物的一个(或多个)层例如可适于改变一个(或多个)内部夹杂物的一个或多个特性。例如，可通过一个(或多个)外层或一个(或多个)夹杂物或它们之间的相互作用改变在一个(或多个)夹杂物和/或一个(或多个)外层内的一个或多个原子运动。在一个实施方式中，例如，一个(或多个)夹杂物可比包围一个(或多个)层相对更重或更致密，并且可能还比包围的至少部分晶态的基体材料更重或更致密。一个(或多个)夹杂物可为原子有序或无序的材料。类似地，一个(或多个)外层可为原子有序或无序的材料。
作为对由石墨或具有类似原子柔性、柔软性和/或滑移(原子层之间的弱键)特性的材料制成的替代物，一个(或多个)外层可为软和/或柔性材料例如橡胶或其它聚合物。一个(或多个)夹杂物和一个(或多个)外层可采用任何形状例如但不限于立方体、球等。一个(或多个)夹杂物和一个(或多个)外层可改变(例如降低或提高)从由于一个(或多个)夹杂物和一个(或多个)外层的组合所致的有效弹簧块效应起源和/或促进的共振频率。在一个特定实施方式中，例如，一个(或多个)夹杂物可比将其支撑的一个(或多个)外层相对更重或更致密，并且一个(或多个)外层可包含比一个(或多个)夹杂物更软或更柔性的材料。在这个特定实施方式中，悬浮在软或柔性材料内(例如被软或柔性材料部分或完全包围)的较重材料可导致局部共振的频率降低。因此，一个(或多个)复合结构(被一个(或多个)外层完全或部分包围的一个(或多个)夹杂物103)可用于改变一个或多个杂化共振，在一些实施方式中，其可通过把携带相对更多热的一个或多个声子作为目标而进一步提高降低包围的(基质/基体)传输材料中热导率的有效性。此外，在一些实施方式中，可优化一个(或多个)夹杂物和一个(或多个)外层的组合以产生来自一个(或多个)夹杂物的共振的分布，其通过共振杂化有效降低包围的(基质)传输材料和作为整体的系统的热导率。
类似于参照图2、3、5A、5B和9-28B讨论的实施方式，例如，在至少部分晶态的基体材料内至少部分在一个或多个柔性和/可滑动材料层内设置的夹杂物和/或与至少部分晶态的基体材料相邻设置的延伸亚结构(例如有序或无序材料的层、柱、壁、板、环)(具有或没有在亚结构和至少部分晶态的基体材料之间设置的一个或多个柔性和/或可滑动材料层)可通过由夹杂物和/或延伸亚结构(例如层、柱、壁、板、环)形成的至少一个局部共振振荡器(包括由原子振动所致的那些)产生的一个或多个振动模态与声子中的一个或多个相互作用从而降低在至少部分晶态的基体材料(传输区域)中行进的声子的群速度。此外，可降低通过材料的热传输同时至少实质上允许电子传输通过一个(或多个)基体材料通道。
不受理论的限制，由于共振所致的热导率降低(例如本文描述的)可包括以下一个或多个：(1)通过的声子的群速度降低，(2)共振区域内模态局部化，其导致使热局部化而不是传输热量，和(3)在声子能带结构中共振耦合区域附近声子寿命降低。
在图29A至42B中显示的夹杂物和/或延伸亚结构(例如层、柱、壁等)可采用如附图中显示的各种分布、形状和尺寸，并且可位于主体内或延伸离开和/或从包括至少部分晶态基体材料的主体突出。此外，夹杂物和/或延伸亚结构可具有各种取向和材料组成。夹杂物和/或延伸亚结构可以完美的周期性方式、随机地或以任何其它方式分布。夹杂物和/或延伸亚结构的几何形状尺寸可为相同的，或可在组内变化由此整个组以相同的方式重复，或可以随机方式变化，或可以任何其它图案或方式(其为随机或周期性的)布置。在一个特定实施方式中，例如，夹杂物和/或延伸亚结构可分布在超构材料内，使得由夹杂物和/或延伸亚结构产生的振动模态大致延伸遍及超构材料的至少部分晶态的基体材料，并因此能够降低通过至少部分晶态基体材料的热导率。如以上描述，据信由以下一个或多个引起热导率降低：(1)通过的声子的群速度降低，(2)共振区域内模态局部化，其导致使热局部化而不是传输热量，和(3)在声子能带结构中共振耦合区域附近声子寿命降低。此外，可降低通过材料的热传输同时至少实质上允许电子传输通过一个(或多个)基体材料通道。
图29A至29B显示例如可在块状或其它材料例如二维或一维材料如膜片或线内分别使用的三维(3D)单位元210的示例实施方式。在一个实施方式中，例如，单位元210可包含块状材料的单位元。三维(3D)块状材料构造，例如，可包括单位元210的周期阵列，所述单位元每个包括设置在基体材料216内的一个或多个夹杂物214(例如图29A中显示的立方夹杂物214)。图29A显示例如3D单位元210的实施方式，该3D单位元210包含晶态217(例如单晶或部分晶态)基体材料216结构，其包括设置在晶态217基体材料216结构内的一个或多个夹杂物214。夹杂物214还至少部分设置在柔性和/或可滑动材料(例如石墨、橡胶或聚合物)的一个或多个层215内(例如被部分或完全包围)。在一个特定实施方式中，例如，柔性和/或可滑动材料包括多个单独的亚层(例如原子尺度层)，其适于垂直于层振动或平行于层和相对于彼此滑动或振动。虽然图29A显示单个夹杂物214，但是单位元可包括设置在晶态结构内的多个夹杂物。此外，一个(或多个)夹杂物214可至少部分设置在柔性和/或可滑动材料的多个层内(例如被柔性和/或可滑动材料部分或完全包围)。图29B显示图29A的单位元的侧视图。
例如，可周期地或随机地三维重复单位元210以形成如图29C中显示的三维(3D)块状材料212。类似地，可重复单位元以产生二维(2D)或一维结构例如本文描述的。在各个实施方式中，夹杂物214可包含原子有序和/或无序(例如无定形)材料。夹杂物材料在一个特定构造中例如可由多晶材料或单晶材料制成。夹杂物材料可为例如与基体材料相同类型的材料，或可由任何其它材料例如但不限于半导体、金属、陶瓷、聚合物和/或一种(或多种)复合材料制成。夹杂物材料在这个特定构造中例如可由聚合物或部分聚合的材料制成。在一个特定实施方式中，例如，单位元的基体材料可由单晶硅构成并且一个或多个夹杂物可由晶态硅或无定形硅或氧化硅或任何晶态材料例如锗或氮化镓或任何其它半导体材料或陶瓷或金属或包含这些材料组合的复合材料制成。至少部分设置在柔性和/或可滑动材料的一个或多个外层215内的夹杂物材料在这个构造中充当一个或多个振荡器/共振器，其中夹杂物部分中的每个原子表现出三个固有频率/杂化共振。振荡器/共振器产生多个局部振动模态，其与运动通过一个(或多个)基体材料通道的多个声子相互作用并可减慢至少一部分相互作用的声子的群速度，引起模态局部化和/或提高的声子散射。此外，可降低通过材料的热传输同时至少实质上允许电子传输通过一个或多个基体材料通道或传输区域219。还可采用夹杂物的其它形状。类似于图10B中显示的构造(其为二维变体)，夹杂物材料的位置可以周期性方式排列(如所示)和/或可随机或以其它方式分布。类似地，每个夹杂物(例如在一个或多个单位元内)的尺寸可为均匀的或可成组变化或随机或以其它方式变化。
图29D显示例如可在块状或其它材料例如二维或一维材料如膜片或线(例如以上关于图29A至29C所述)内分别使用的三维(3D)单位元250的另一示例实施方式的侧视图。在一个实施方式中，例如，单位元250可包含块状材料的单位元。三维(3D)块状材料构造，例如，可包括单位元250的周期阵列，所述单位元每个包括设置在基体材料256内的一个或多个夹杂物254(例如类似于图29A中显示的立方夹杂物214)。图29B显示例如3D单位元250的实施方式，该3D单位元250包含晶态(例如单晶或部分晶态)基体材料256结构，其包括设置在晶态基体材料256结构内的一个或多个夹杂物254。夹杂物254还部分设置在柔性和/或可滑动材料(例如石墨、橡胶或聚合物)的一个或多个层255内。在一个特定实施方式中，例如，柔性和/或可滑动材料包括多个单独的亚层(例如原子尺度层)，其适于垂直于层振动或平行于层和相对于彼此滑动或振动(例如以上描述)。虽然图29D显示单个夹杂物254，但是单位元可包括设置在晶态结构内的多个夹杂物。此外，一个(或多个)夹杂物254可部分设置在柔性和/或可滑动材料的多个层内(例如被柔性和/或可滑动材料部分或完全包围)。
在图29D中显示的实施方式中，例如，夹杂物部分被相对柔性、可滑动或软材料的一个(或多个)层包围，并且此外一个或多个空隙257也设置在夹杂物和基体材料之间在一个或多个开口中，该开口中相对柔性或软材料的一个(或多个)层没有设置在夹杂物和基体材料之间。空隙在各个示例实施方式中可包括空气、气体、真空、液体和/或固体，并且可提供用于夹杂物当其在基体材料内振动时运动的空间。在其它实施方式中，夹杂物当未被相对柔性或软材料的一个(或多个)层包围时可与基体材料256直接相邻设置。
类似于以上关于图29A至29C描述的，例如可周期地或随机地三维重复单位元250以形成三维(3D)块状材料。类似地，可重复单位元以产生二维(2D)或一维结构例如本文描述的。在各个实施方式中，夹杂物254可包含原子有序和/或无序(例如无定形)材料。夹杂物材料在一个特定构造中例如可由多晶材料或单晶材料制成。夹杂物材料可为例如与基体材料相同类型的材料，或可由任何其它材料例如但不限于半导体、金属、陶瓷、聚合物和/或一种(或多种)复合材料制成。夹杂物材料在这个特定构造中例如可由聚合物或部分聚合的材料制成。在一个特定实施方式中，例如，单位元的基体材料可由单晶硅构成并且一个或多个夹杂物可由晶态硅或无定形硅或氧化硅或任何晶态材料例如锗或氮化镓或任何其它半导体材料或陶瓷或金属或包含这些材料组合的复合材料制成。部分设置在柔性和/或可滑动材料的一个或多个外层255内的夹杂物材料在这个构造中充当一个或多个振荡器/共振器，其中夹杂物部分中的每个原子表现出三个固有频率/杂化共振。振荡器/共振器产生多个局部振动模态，其与运动通过一个(或多个)基体材料通道的多个声子相互作用并可减慢至少一部分相互作用的声子的群速度，引起模态局部化和/或提高的声子散射。此外，可降低通过材料的热传输同时至少实质上允许电子传输通过一个或多个基体材料通道或传输区域259。还可采用夹杂物的其它形状。类似于图10B中显示的构造(其为二维变体)，夹杂物材料的位置可以周期性方式排列(如所示)和/或可随机或以其它方式分布。类似地，每个夹杂物(例如在一个或多个单位元内)的尺寸可为均匀的或可成组变化或随机或以其它方式变化。
图30A和30B显示例如可在块状或其它材料例如二维或一维材料如膜或线内分别使用的三维(3D)单位元320的另一示例实施方式。在一个实施方式中，例如，单位元320可包含块状基体材料326的单位元，例如三维(3D)块状基体材料构造，其包括与块状基体材料直接相邻设置或与设置在层和块状基体材料之间的一个或多个层(例如一个(或多个)软/柔性材料层)一起设置的材料328的附着层324。材料328的附着层324例如可包含原子有序和/或原子无序材料(例如无定形材料)。附着层324可具有任何厚度并可完全或部分覆盖基体材料326。附着层材料328在一个特定构造中可由多晶材料或单晶材料制成。附着层可具有与基体材料相同类型的材料，或可由任何其它材料例如但不限于半导体、金属、陶瓷、聚合物和/或复合材料制成。附着层在这个特定构造中例如可由聚合物或部分聚合的材料制成。图30A显示例如3D单位元的实施方式，该3D单位元包含基体材料326，所述基体材料包含晶态材料(例如单晶或部分晶态)结构327，其包括与晶态结构327相邻、并列或晶态结构327附近设置的一个或多个附着层324。虽然图30A显示单个附着层324，但是单位元可包括与包含晶态结构327的基体材料326相邻、并列或包含晶态结构327的基体材料326附近设置的多个附着层(例如在单位元的相对侧上)。在图30A和30B中显示的特定实施方式中，可滑动材料层325至少部分地设置在附着层324和基体材料326之间。柔性或可滑动材料层325，例如，可包含适于相对于彼此振动或滑动的多个原子尺度亚层。图30B显示图30A的单位元的侧视图。
在一个特定实施方式中，例如，基体材料326可由单晶硅构成并且附着层由有序(例如晶态的例如单晶或多晶硅)或无序(例如无定形硅或氧化硅)构成。柔性或可滑动材料的插入层325和附着层324在这个构造中充当一个或多个振荡器/共振器，其中附着层324中的每个原子表现出三个固有频率/杂化共振。振荡器/共振器产生多个局部振动模态，其与运动通过一个(或多个)基体材料通道的多个声子相互作用并减慢至少一部分相互作用的声子的群速度，并且可能引起模态局部化和/或提高的声子散射。此外，可降低通过材料的热传输同时至少实质上允许电子传输通过一个或多个基体材料通道。可采用附着层的其它形状、尺寸、厚度或空间分布。同样，至少部分在层324和基体材料326之间设置的柔性或可滑动材料的插入层325和附着层324可在一侧或多于一侧上附着至基体材料326。类似于图10B中显示的构造(其为2D实例)，柔性或可滑动材料的插入层325和附着层324的位置可以周期性方式排列(如所示)或者可随机分布或者可连续地覆盖表面。类似地，每个附着层324和插入层325的尺寸可为均匀的或可成组变化或随机变化。
图31显示包括多个晶态(例如单晶或部分晶态)热电基体材料层336的材料的一个或多个单位元330的又一示例实施方式的实例，所述材料例如硅或其它至少部分晶态的材料337，被构造用于通过在柔性或可滑动材料例如石墨的层325和一个或多个附着层334之间插入的基体材料336的热传输。基体材料336例如可包含块状3D材料、2D材料或1D材料。与晶态的热电基体材料部件336相邻、并列或晶态的热电基体材料部件336附近设置原子有序和/或原子无序(例如无定形)材料338的一个或多个层334。在图31中显示的特定实施方式中，例如，层334与柔性或可滑动材料的插入层335直接相邻设置，例如以上参照图30A和30B描述的。一个(或多个)层334例如可包含原子有序和/或原子无序(例如无定形)材料338。一个(或多个)层在这个特定构造中例如可由多晶材料或单晶材料制成。一个(或多个)附着层334可具有与基体材料相同类型的材料，或可由任何其它材料例如但不限于半导体、金属、陶瓷、聚合物和/或复合材料制成。附着材料层334在这个特定构造中例如可由聚合物或部分聚合的材料制成。在这个特定实施方式中，单位元例如包含被构造用于通过单位元的热传输的多个晶态热电材料层336和与一个或多个晶态热电基体材料层336相邻、并列或一个或多个晶态热电基体材料层336附近设置的多个附着层334，和至少部分在一个(或多个)附着层334和一个(或多个)基体材料层336之间设置的柔性或可滑动材料的一个或多个插入层335。
在一个特定实施方式中，例如，一个(或多个)基体晶态材料层336可由单晶硅构成，一个(或多个)附着层或柱或壁334由原子有序或无序材料(例如晶态硅、多晶硅或其它晶态或多晶材料、无定形硅或氧化硅、或陶瓷或金属)构成，且插入层335由石墨或其它柔性材料构成。一个(或多个)附着层334和插入层335在这个构造中充当一个或多个振荡器/共振器，其中附着层334部分中的每个原子表现出三个固有频率/杂化共振。振荡器/共振器产生多个局部振动模态，其与运动通过一个(或多个)基体材料336通道的多个声子相互作用并减慢至少一部分相互作用的声子的群速度，并且可能引起模态局部化和/或提高的声子散射。此外，可降低通过基体材料336的热传输同时至少实质上允许电子传输通过一个或多个基体材料通道。可采用附着层334和插入层335的其它形状、尺寸、厚度或空间分布。同样，可在一侧或多于一侧上将附着层334和插入层335附着至基体材料。类似于图10B中显示的构造(其为2D实例)，附着层334和插入层335材料的位置可以周期性方式排列(如所示)或者可在基体晶态材料内随机分布或者可在基体晶态材料内采用连续形式。类似地，每个附着层的尺寸可为均匀的或可成组变化或随机变化。
在图31中显示的特定实施方式中，例如，多个传输“通道”339由设置在附着层334和材料的插入层335之间的单位元内的多个基体材料晶态材料层336形成，所述附着层334和插入层335设置在基体晶态材料337的两个或更多个通道339之间。材料338的附着层334和插入层335充当一个或多个振荡器/共振器，其在一个(或多个)至少部分晶态基体材料通道内产生多个局部振动模态(包括起源于原子振动的那些)并与运动通过一个(或多个)基体材料通道的多个声子相互作用并减慢至少一部分相互作用的声子的群速度，并且可能引起模态局部化和/或提高的声子散射。以这个方式，可降低通过材料的热传输同时至少实质上允许电子传输通过一个(或多个)基体材料通道。
图32显示包括多个至少部分晶态(例如单晶或部分晶态)热电基体材料层346的材料的一个或多个单位元340的另一实施方式，所述材料例如硅或包括一个或多个夹杂物342的其它材料。在一个实施方式中，例如图32中显示的，夹杂物342至少部分地设置在基体材料346的非传输区域内，从而留下相对开放的传输区域349用于电子更容易流过基体材料346。在这个实施方式中，夹杂物342至少部分地被柔性或可滑动材料343包围，例如图29A-29C中显示的，并且还包括一个或多个附着层344和插入层345，其与一个(或多个)基体材料层46相邻、并列或在一个(或多个)基体材料层46附近设置，例如图30A和30B中显示的。一个(或多个)基体材料区域346，例如，可包含晶态(例如单晶或部分晶态)结构，其包括设置在基体材料346的晶态结构内和至少部分设置(例如被完全或部分包围)在柔性或可滑动材料的层343内的一个或多个夹杂物342。
基体材料346可例如包含块状3D材料、2D材料或1D材料。与具有一个(或多个)夹杂物342和柔性或可滑动材料的至少部分包围层343的晶态的热电基体材料346相邻、并列或在其附近设置一个或多个附着层344和插入层345。在一个特定实施方式中，例如，一个(或多个)夹杂物342和附着层344材料还可由多晶材料或单晶材料制成。一个(或多个)夹杂物342和一个(或多个)附着层344可具有与基体材料346相同类型的材料，或可由任何其它材料例如但不限于半导体、金属、陶瓷、聚合物和/或复合材料制成。在这个特定实施方式中，单位元例如包含被构造用于通过单位元的热传输的多个至少部分晶态热电材料层。一个或多个夹杂物342可设置在热电基体材料层346内和至少部分在柔性或可滑动材料的层343内，并且一个或多个附着层344和插入层345可与一个或多个晶态热电基体材料层346相邻、并列或在一个或多个晶态热电基材材料层346附近设置。
在一个特定实施方式中，例如，一个(或多个)基体晶态材料层346可由单晶硅构成并且一个(或多个)夹杂物342和一个(或多个)附着层344由原子有序或无序材料(例如单晶硅、多晶硅、无定形硅或氧化硅)构成。一个(或多个)夹杂物342和一个(或多个)附着层344分别与层342和345一起在这个构造中充当一个或多个振荡器/共振器，其中每个原子表现出三个固有频率/杂化共振。可采用附着层的其它形状、尺寸、厚度或空间分布。同样，可在一侧或多于一侧上将附着层344和插入层345附着至基体材料346。类似于图10B中显示的构造(其为2D实例)，附着层材料的位置可以周期性方式排列(如所示)或者可在基体晶态材料内随机或以其它方式分布或者可在基体晶态材料内采用连续形式。类似地，每个附着层的尺寸可为均匀的或可成组变化或随机或以其它方式变化。
在图32中显示的特定实施方式中，例如，多个传输“通道”349由设置在单位元内的多个基体晶态材料层346形成。一个(或多个)夹杂物342、柔性或可滑动材料的一个(或多个)层343、一个(或多个)附着层344和柔性或可滑动材料的一个(或多个)插入层345充当一个或多个振荡器/共振器，其在一个(或多个)至少部分晶态的基体材料通道内产生多个局部振动模态并与运动通过一个(或多个)基体材料传输通道的多个声子相互作用并减慢至少一部分相互作用的声子的群速度，并且可能引起模态局部化和/或提高的声子散射。以这个方式，可降低通过材料的热传输同时至少实质上允许电子传输通过一个(或多个)基体材料通道。
图33A和33B显示适于减慢流过晶态材料的一个或多个声子的群速度并且可能引起模态局部化和/或提高的声子散射的复合材料350的示例实施方式。在这个特定实施方式中，例如，晶态基体材料356(例如单晶或部分晶态材料357)限定至少一个传输区域359以及与复合材料350的传输区域359相邻、并列或在复合材料350的传输区域359附近设置的一个或多个柱354，例如以上关于图2、3、9、11、12和13描述的。柔性或可滑动材料的插入层355至少部分设置在基体材料356和一个或多个柱354之间。一个或多个柱354和层355充当一个或多个振荡器/共振器，其在至少部分晶态的基体材料356的传输区域359内产生多个局部振动模态(包括由原子振动所致的那些)并与运动通过传输区域359的多个声子相互作用并减慢至少一部分相互作用的声子的群速度，并且可能引起模态局部化和/或提高的声子散射。此外，可降低通过基体材料356的热传输同时至少实质上允许电子传输通过一个或多个基体材料通道359。
复合材料350还包含在传输区域359内的至少部分设置(例如被完全或部分包围)在柔性或可滑动材料353内的一个或多个夹杂物352。如以上关于以上图15A-15C、18、29A、29B和31所述，夹杂物352类似地充当一个或多个振荡器/共振器，其在至少部分晶态的基体材料的传输区域359内产生多个局部振动模态(包括由原子振动所致的那些)并与运动通过传输区域的多个声子相互作用并减慢至少一部分相互作用的声子的群速度，并且可能引起模态局部化和/或提高的声子散射。以这个方式，可通过柱354和/或夹杂物352与柔性或可滑动材料层353和355一起降低通过复合材料350的传输区域359的热传输同时至少实质上允许电子传输通过复合材料350的传输区域359。
图34A和34B显示适于减慢流过晶态基材材料366的一个或多个声子的群速度并且可能引起模态局部化和/或提高的声子散射的复合材料360的另一示例实施方式。在这个特定实施方式中，例如，晶态基体材料(例如单晶或部分晶态材料)限定传输区域369以及离开复合材料60的传输区域369延伸的一个或多个环或板或柱364，例如以上关于图13、20A和20B描述的。柔性或可滑动材料的插入层365至少部分设置在基体材料366和一个或多个柱364之间。一个或多个环或板或柱364和柔性或可滑动材料的插入层365充当一个或多个振荡器/共振器，其在至少部分晶态的基体材料366的传输区域内产生多个局部振动模态(包括由原子振动所致的那些)并与运动通过传输区域369的多个声子相互作用并减慢至少一部分相互作用的声子的群速度，并且可能引起模态局部化和/或提高的声子散射。
复合材料360还包含在传输区域369内的至少部分设置在柔性或可滑动材料的层363内的一个或多个夹杂物362。如以上关于以上图15A-15C、18、29A、29B、31、32A和32B所述，夹杂物362和层363类似地充当一个或多个振荡器/共振器，其在至少部分晶态的基体材料366的传输区域369内产生多个局部振动模态(包括由原子振动所致的那些)并与运动通过传输区域369的多个声子相互作用并减慢至少一部分相互作用的声子的群速度，并且可能引起模态局部化和/或提高的声子散射。以这个方式，可通过板、环、柱364和/或夹杂物362降低通过复合材料360的传输区域369的热传输同时至少实质上允许电子传输通过复合材料的传输区域。
图35显示使用块状声子(例如纳米声子)超构材料的热电装置的示例实施方式，所述块状声子超构材料例如具有至少部分地设置在柔性或可滑动材料的层内的原子有序或无序材料(例如晶态硅、多晶硅、其它晶态或多晶材料、硅或氧化硅、或陶瓷或金属)的一个或多个周期性或非周期夹杂物的单晶硅材料(例如图29A、29B中显示的)和/或具有至少部分地设置在柔性或可滑动材料的层内的原子有序或无序材料(例如晶态硅、多晶硅、其它晶态或多晶材料、硅或氧化硅、或陶瓷或金属)的一个或多个附着层的单晶硅材料(例如图30中显示的)和/或具有至少部分地设置在柔性或可滑动材料的层内的原子有序或无序材料(例如晶态硅、多晶硅、其它晶态或多晶材料、硅或氧化硅、或陶瓷或金属)的一个或多个嵌入层的单晶硅材料(例如图31中显示的)。在这些特定实施方式中，例如，可以以期望改进电性质的任何水平掺杂块状声子(例如声子或纳米声子)超构材料，从而形成p型半导体材料和/或n型半导体材料。此外，声子(例如纳米声子)超构材料的传输部分可与其它元素合金化以进一步降低热导率，同时对电性质例如电导率和塞贝克系数具有最小的影响。
图36A、36B、37A和37B描述适于减慢流过至少部分晶态材料的一个或多个声子的群速度并且可能引起模态局部化和/或提高的声子散射的复合材料370、380的其它示例实施方式。在图36A和36B中，例如，复合材料370包括具有延伸亚结构374(例如柱)的二维薄膜/膜片基体材料结构376和至少部分地设置在基体材料结构376和延伸亚结构374之间的柔性或可滑动材料的插入层375。图37A和37B显示复合材料380，其包括具有延伸亚结构384(例如板或环)的一维(例如线)基体材料结构386和至少部分地设置在基体材料结构386和延伸亚结构384之间的柔性或可滑动材料的插入层385。在这个特定实施方式中，例如，复合材料370、380包括至少部分晶态的热电基体材料。热电基体材料包括基体材料区域376、386。基体材料区域376、386包括至少部分晶态的传输区域379、389和至少部分地设置在柔性或可滑动材料的层373、383内的至少一个原子有序或无序的振荡器/共振器区域372、382。
在图36A、36B、36C和36D中，例如，共振器区域/夹杂物372部分被柔性、可滑动或软材料层373包围，而在图37A和37B中，共振器区域/夹杂物382完全被柔性、可滑动或软材料层383包围。如以上描述，夹杂物可完全或部分地被相对柔性、可滑动或软材料的一个(或多个)层包围。当夹杂物部分被相对柔性或软材料的一个(或多个)层包围时，空隙377(例如图36A和36B中所示)可任选设置在夹杂物和基体材料之间在一个或多个开口中，该开口中相对柔性或软材料的一个(或多个)层没有设置在夹杂物和基体材料之间。空隙在各个示例实施方式中可包括空气、气体、真空、液体和/或固体，并且可提供用于夹杂物当其在基体材料内振动时运动的空间。在其它实施方式中，夹杂物当未被相对柔性或软材料的一个(或多个)层包围时可与基体材料376直接相邻设置，例如在图36C和36D的示例实施方式中显示。
至少一个传输区域379、389包括通过至少部分晶态的热电基体材料的一个或多个传输路径(由箭头显示)，并且被构造为允许电子至少相对未受一个或多个振荡器/共振器区域372、382的一个或多个原子有序或无序材料(例如一个或多个原子无序夹杂物)阻碍地流过热电基体材料，所述区域至少部分设置(例如被完全或部分包围)在与一个(或多个)传输区域379、389并列的基体材料区域376、386内的柔性或可滑动材料层373、383内。原子有序或无序的振荡器/共振器区域372、382和柔性或可滑动材料的各个层373、383适于通过振荡器/共振器区域372、382的原子有序或无序材料(例如一个或多个夹杂物)和柔性或可滑动的材料层373、383内的一个或多个原子的运动提供局部共振。局部共振进而行进到至少部分晶态的热电基体材料的一个(或多个)传输区域379、389中，并与行进通过传输区域379、389的一个或多个声子相互作用从而降低群速度和复合材料370、380的热导率，并且可能引起模态局部化和/或提高的声子散射。在这个特定实施方式中，例如，原子有序或无序的振荡器/共振器区域372、382可包含设置在至少部分晶态的热电基体材料内的原子有序或无序材料的连续夹杂物，或者可包括原子有序或无序材料的多个单独夹杂物。在至少部分晶态的基体材料内，一个(或多个)夹杂物还可至少部分设置在柔性或可滑动材料的一个或多个层内。虽然图36A、36B、37A和37B显示形成振荡器/共振器区域的单个连续夹杂物，但是多个连续或不连续的夹杂物也可用于形成在热电基体材料区域内至少部分设置在柔性或可滑动材料层内的一个或多个原子有序或无序的振荡器/共振器区域。然而，一个(或多个)夹杂物和柔性或可滑动材料的一个(或多个)层内原子的局部共振延伸到一个(或多个)传输区域并且与通过该区域的声子相互作用。因此，可将基体材料区域构造为允许电子通过一个(或多个)传输区域而大体上不受一个(或多个)夹杂物阻碍，同时仍允许夹杂物和柔性或可滑动材料的一个(或多个)层的局部共振与通过同一传输区域的一个或多个声子相互作用。
在图36A、36B、37A和37B中显示的复合材料还包括一个或多个延伸亚结构374、384，其离开热电基体材料区域376、386的表面向外延伸(例如图22的2D薄膜/膜片基体材料或图23的1D线基体材料)以及至少部分设置在延伸亚结构374、384和热电基体材料区域376、386的表面之间的柔性或可滑动材料的一个或多个插入层375、385。延伸亚结构374、384例如可包含离开至少部分晶态的基体材料区域延伸的任何结构，例如但不限于柱、壁、环、板、层等。在图36A、36B、37A和37B中显示的特定实施方式中，例如，多个延伸亚结构374、384离开热电基体材料区域376、386以及柔性或可滑动材料的一个或多个插入层375、385的表面延伸，并提供适于产生局部共振的局部振荡器/共振器，其通过延伸亚结构的一个或多个原子的运动而延伸到基体材料的一个或多个传输区域379、389。延伸亚结构和插入层的局部共振类似地与通过基体材料区域的一个(或多个)传输区域的声子相互作用并减小声子的群速度并可降低复合材料的热导率，并且可能引起模态局部化和/或提高的声子散射。虽然图36A、36B、37A和37B显示离开包括由至少部分晶态的材料形成的传输区域的基体材料区域的表面延伸的特定类型的亚结构(例如柱/壁/板/环)和插入层，所述至少部分晶态的材料可与至少部分晶态的热电基体材料是相同或不同的材料，但是延伸亚结构的一些或全部可同样由如本文所述的原子有序或无序的材料形成。
图38描述包括声子超构材料的块状复合材料390的又一示例实施方式。在这个特定实施方式中，例如，复合材料390包含基体材料区域396，其包括至少部分晶态的热电传输区域399和至少一个原子有序或无序的振荡器/共振器区域392。传输区域399包括基体材料区域396的一个或多个传输区域。至少部分晶态的基体材料区域396提供一个或多个传输区域399，用于电子和声子经由延伸通过至少部分晶态的热电基体材料的一个或多个传输路径(由箭头显示)流过热电结构。一个(或多个)传输区域399被构造为允许电子至少相对未受一个或多个振荡器/共振器区域392的一个或多个原子有序或无序材料(例如一个或多个夹杂物)阻碍流过热电基体材料，所述区域至少部分设置在与一个(或多个)传输区域并列的基体材料的基体材料区域396内设置的柔性或可滑动材料层393内。复合材料还包含离开基体材料区域396的表面延伸的至少一个延伸亚结构394(例如层、柱、壁、环、板)和插入层395。在图38中显示的特定实施方式中，例如，复合材料390包括多个延伸亚结构394和柔性或可滑动材料的插入层395(其在至少两个方向上离开基体材料区域396的表面延伸，所述基体材料区域包括至少部分晶态的传输区域399和在与两个相对的传输区域相邻的传输区域399内设置的原子有序或无序(例如无定形)材料的连续夹杂物392)。这些延伸亚结构394例如可包含离开基体材料区域延伸的任何结构，例如但不限于柱、壁、环、板、层等。
在这个特定实施方式中，复合材料390包括块状复合结构，其包括从延伸亚结构394和柔性或可滑动材料层395延伸的基体材料区域396。至少部分晶态的传输区域399和延伸亚结构394/柔性或可滑动材料层395例如可包含相同或不同的一种(或多种)至少部分晶态的材料(例如单晶硅或其它热电材料)，例如图38中显示。类似地，延伸亚结构394 395可包含与原子有序或无序振荡器/共振器区域392相同或不同的原子有序或无序材料。
在这个特定实施方式中，基体材料区域396和一个或多个延伸亚结构394还可设置在原子有序或无序材料的基质398(例如无定形基质)内。在一个特定实施方式中，例如，无定形材料的基体398可包含软的无定形材料，在其内设置(例如包住、包围等)基体材料区域和一个或多个延伸亚结构，但是还设想其它实施方式。在各个实施方式中，例如，可一维、二维或三维地包围(例如至少部分包围或完全包围)基体材料区域396和延伸亚结构394。
包围的基质398材料在这个构造中还可充当一个或多个振荡器/共振器，其中原子无序(例如无定形)包围材料中的每个原子表现出三个固有频率/杂化共振。由包围的原子无序材料形成的振荡器/共振器可产生多个局部振动模态，其与运动通过一个(或多个)基体材料通道的多个声子相互作用并减慢至少一部分相互作用的声子的群速度，并且可能引起模态局部化和/或提高的声子散射。此外，可降低通过基体材料的热传输同时至少实质上允许电子传输通过一个或多个基体材料通道。
包围的基体398材料(无论其是晶态、至少部分晶态或原子无序材料)还可用于将减小尺寸的结构(例如2D或1D基体材料)转化为可使用在标准热电装置中的3D块状声子超构材料，例如图35中显示的一个。当包围的复合材料包括适于运动的延伸亚结构从而提供一个或多个杂化共振时，包围的基质材料可包含相对软的、柔韧的或其它材料，例如聚合物材料，其例如适于允许那些延伸亚结构至少在原子规模上运动。
虽然基体材料区域和延伸亚结构的一个特定结构在图38中显示与图36中显示的结构类似，但是本文公开的任何其它结构(例如图2、3、9、10、11、12、13、16、17、18、19、20、22、23)可类似地设置在无定形或软材料的一个或多个基质内。
在这些实施方式中，例如，一个(或多个)外基质可提供局部共振(起源于原子和结构运动)，其还与通过基体材料的传输区域的声子相互作用，其可减小一个(或多个)声子的群速度并降低复合材料的热导率，并且可能引起模态局部化和/或提高的声子散射。
图39、40A和40B描述包括声子超构材料的块状复合材料400的另一示例实施方式。在这个特定实施方式中，例如，复合材料400包含至少部分晶态基体材料406和设置在基体材料406内的一个或多个复合夹杂物401。在一个实施方式中，例如图39、40A和40B中显示的，复合夹杂物401包含内部夹杂物402和外部夹杂物403，但是任何数量的材料、构造、层等都是可能的。包含内部和外部组分402、403的复合夹杂物401至少部分被一个或多个外层405包围或至少部分地包围复合夹杂物403设置。类似地，一个(或多个)额外层可设置在复合夹杂物403的两个或更多个层或材料之间。在一个示例实施方式中，例如，复合夹杂物可包含一起形成如本文描述的弹簧共振器中的质量块的等同物的多个夹杂物材料。在其它实施方式中，例如，外部夹杂物(例如橡胶或聚合物)可帮助外层405进行弹簧在弹簧共振器中的作用。
一个(或多个)外层405可包括石墨或类似的柔性或可滑动材料，其中一层或多层原子可相对于彼此(例如以相对低的力)滑动。石墨例如包含在一个或多个方向上强键合在一起并在一个或多个其它方向上弱键合(例如通过范德华键)的原子。这种键合特征的组合给予石墨外层或夹杂物相对高的熔化温度(例如比聚合物更高)，同时由于弱的例如范德华键，还给予石墨沿着一定方向的高柔性或柔软性。弱键使得一个(或多个)外层/一个(或多个)夹杂物的一个(或多个)单个原子尺度层能够通过原子层之间的柔性或滑移相对于一个(或多个)外层/一个(或多个)夹杂物的一个(或多个)其它原子尺度层滑动，这引起高柔性或柔软性。在一个示例实施方式中，例如，石墨具有这些特性，因为它包含通过弱的范德华键保持在一起的导电石墨烯层的堆叠体。这些性质允许一个(或多个)外层/一个(或多个)夹杂物充当弹簧从而托住充当一个或多个质量块的复合夹杂物401。例如，这样的构造可在复合材料400的主体(基体)材料内产生一个或多个内部共振。原则上，共振数可与一个(或多个)内部夹杂物中的原子数乘以三(即每个原子的自由度数)一样多。在其内设置一个(或多个)内部夹杂物402的一个(或多个)外层405和一个(或多个)外部夹杂物403例如可适于改变一个(或多个)内部夹杂物402的一个或多个特性。例如，在复合夹杂物401和/或一个(或多个)外层/涂一个(或多个)层内的一个或多个原子运动，其包含一个或多个内部夹杂物402和一个或多个外部夹杂物403。可通过一个(或多个)内部组分夹杂物402和一个(或多个)外部组分夹杂物403或它们之间的相互作用从而改变复合夹杂物。在一个实施方式中，例如，一个(或多个)内部夹杂物402可比包围的一个(或多个)外层/一个(或多个)夹杂物403相对更重或更致密。一个(或多个)外部夹杂物和一个(或多个)内部夹杂物402可为原子有序或无序的材料。复合夹杂物还可至少部分被柔性/可滑动材料(例如石墨、橡胶或聚合物)的层405包围。作为对由石墨或具有类似原子柔性或滑移(原子层之间的弱键)特性的材料制成的外层的替代，一个(或多个)外层405和/或一个(或多个)外部夹杂物403可为软材料例如橡胶或其它聚合物。一个(或多个)内部夹杂物402和一个(或多个)外层405和一个(或多个)外部夹杂物405可采用任何形状例如但不限于立方体、球等。一个(或多个)内部夹杂物402和一个(或多个)外层405和一个(或多个)外部夹杂物403可改变(例如降低或提高)从由于一个(或多个)内部夹杂物402和一个(或多个)外层405和一个(或多个)外部夹杂物403的组合所致的有效弹簧块效应起源和/或促进的共振频率。在一个特定实施方式中，例如，一个(或多个)内部夹杂物402可比将其支撑的一个(或多个)外层405和一个(或多个)外部夹杂物403相对更重或更致密，并且一个(或多个)外层405和一个(或多个)外部夹杂物403可包含比一个(或多个)内部夹杂物402更软的材料。在这个特定实施方式中，悬浮在软材料内的较重材料可导致局部共振的频率降低。因此，一个(或多个)复合结构(一个(或多个)内部夹杂物402、一个(或多个)外部夹杂物403和一个(或多个)外层405)可用于改变一个或多个杂化共振，在一些实施方式中，其可通过把携带相对更多热的一个或多个声子作为目标而进一步提高降低包围的(基质)传输材料中热导率的有效性。此外，在一些实施方式中，可优化一个(或多个)内部夹杂物402、一个(或多个)外部夹杂物403和一个(或多个)外层405的组合从而产生来自一个(或多个)内部夹杂物402和有时一个(或多个)外部夹杂物403的共振的分布，其通过共振杂化有效降低包围的(基质)传输材料和作为整体的系统的热导率。
在一些实施方式中，例如，一种或多种材料(有序或无序的)可设置在至少部分晶态的层、柱、壁、板、环或其它结构内。内部夹杂物例如可适于改变至少部分晶态的延伸亚结构内的原子运动。在其它实施方式中，延伸结构可完全由一种或多种重材料制成。相对重或致密的材料，例如金属材料，例如可用于降低延伸亚结构内的一个或多个原子运动的频率，并从而改变所产生的一个(或多个)杂化共振。
图41描述包括声子超构材料的块状复合材料410的又一示例实施方式，其说明在图38中显示的包围的原子有序或无序基体和设置在这个实施方式中的连续的原子有序或无序外部夹杂物内的在图39和40中显示的内部夹杂物的组合。一个(或多个)夹杂物至少部分设置在柔性或可滑动材料层415内。因此，在这个实施方式中，复合材料410包括基体材料区域416，所述区域包含限定了一个或多个传输路径(由箭头显示)用于携带电子和声子流过复合材料410的至少部分晶态的传输区域419。一个或多个夹杂物412至少部分设置在至少大致在一个(或多个)传输区域419外部的基体材料区域内的柔性或可滑动材料层415内从而降低由于一个(或多个)夹杂物412和层415、417的物理干扰所致在一个(或多个)传输区域内电子流的物理干扰。提供一个或多个额外的内部夹杂物413(例如设置在一个或多个外部夹杂物内部的一个(或多个)额外夹杂物)。在这个特定实施方式中，内部夹杂物413设置在连续的外部夹杂物412内并且可适于例如改变连续的外部夹杂物412的一个或多个特性。设置在连续的外部夹杂物112和柔性或可滑动材料的对应层415内的内部夹杂物413可适于改变外部夹杂物412内的一个或多个原子运动。在一个实施方式中，例如，一个(或多个)内部夹杂物413可比包围的外部夹杂物412相对更重或更致密。一个(或多个)内部夹杂物413可为原子有序或无序的材料。类似地，一个(或多个)外部夹杂物403可为原子无序或有序的材料。外部夹杂物可为软材料例如橡胶或其它聚合物。内部和外部夹杂物可采用任何形状例如立方体、球等。一个(或多个)内部夹杂物413可改变(例如降低或提高)从复合材料的外部夹杂物412起源和/或促进的共振频率。因此，一个(或多个)复合结构(外部夹杂物412内的一个(或多个)内部夹杂物413)可用于改变一个或多个杂化共振，在一些实施方式中，其可通过把携带相对更多热的一个或多个声子作为目标而进一步提高降低基体传输材料中热导率的有效性。此外，在一些实施方式中，可优化内部夹杂物413以产生来自一个(或多个)外部夹杂物的共振的分布，其通过共振杂化有效降低基体传输材料和作为整体的系统的热导率。
此外，在一些实施方式中，可优化在延伸亚结构414(例如柱、壁、板、环、层)内设置的夹杂物411以及柔性或可滑动材料各自的一个或多个层从而产生共振的分布，其通过共振杂化有效降低基体传输材料和作为整体的系统的热导率。在其它实施方式中，延伸结构可完全由一种或多种重材料制成。如可在图41中进一步看到，基体材料区域416和延伸亚结构414(例如柱/壁)还设置在原子有序或无序材料的基质418内。在一个特定实施方式中，例如，原子有序或无序材料的基质418可包含晶态、多晶或软的无定形材料，在其内设置基体材料区域和延伸亚结构(例如柱/壁)，但是还设想其它实施方式。
包围的基体材料在这个构造中还可充当一个或多个振荡器/共振器，其中原子有序或无序的包围材料中的每个原子表现出三个固有频率/杂化共振。由包围的原子有序或无序材料形成的振荡器/共振器可产生多个局部振动模态，其与运动通过一个(或多个)基体材料通道的多个声子相互作用并减慢至少一部分相互作用的声子的群速度，并且可能引起模态局部化和/或提高的声子散射。此外，可降低通过基体材料的热传输同时至少实质上允许电子传输通过一个或多个基体材料通道。
在图27的特定实施方式中，例如，块状复合材料提供来自延伸亚结构的杂化共振、可由一个或多个额外的内部夹杂物与柔性和/或可滑动材料的层改变的原子有序或无序夹杂物以及来自包围的外部基质的额外的杂化共振。
图42显示包括声子超构材料的示例块状复合材料420的又一实施方式。在这个特定实施方式中，例如，块状复合材料420包括基体材料区域426，所述区域包含限定了一个或多个传输路径(由箭头显示)用于携带电子和声子流过复合材料420的至少部分晶态的传输区域429。一个或多个原子有序或无序夹杂物422至少部分设置在柔性或可滑动材料层425内和至少大致在一个(或多个)传输区域449外部的基体材料区域426内从而降低由于一个(或多个)夹杂物422和层425的物理干扰所致在一个(或多个)传输区域429内电子流的物理干扰。在这个特定实施方式中，例如，复合夹杂物包含一个或多个额外的内部夹杂物423(例如相对致密或重的材料例如金属、陶瓷、非金属等)也设置在一个或多个外部夹杂物422内例如图41中显示。如以上讨论的，可设计内部夹杂物423和/或夹杂物422(在其内设置内部夹杂物423)以改变(例如降低或提高)从复合材料420的原子无序夹杂物起源和/或促进的共振频率。类似地，一个(或多个)外部夹杂物403可为原子有序或无序的材料。外部夹杂物可为软材料例如橡胶或其它聚合物。内部和外部夹杂物可采用任何形状例如立方体、球等。因此，复合结构可用于改变一个或多个杂化共振以降低行进通过复合材料的传输区域的声子的群速度，并且可能引起模态局部化和/或提高的声子散射，在一些实施方式中，其可通过把携带相对传输热的一个或多个声子作为目标而进一步提高降低基体传输材料中热导率的有效性。
在这个特定实施方式中，例如，基体材料区域设置在原子有序或无序材料的基质428内(例如在原子有序或无序材料的基质428之间或被其包围)，其形成包围基体材料区域的原子有序或无序材料的基体。在这个特定实施方式中，例如，基质428可包含软材料，在其内设置基体材料区域，但是还设想其它实施方式。
如以上关于图38和41讨论的，例如，外部基质材料还可充当一个或多个振荡器/共振器，其中原子有序或无序的包围材料中的每个原子表现出三个固有频率/杂化共振。由包围的原子有序或无序材料形成的振荡器/共振器可产生多个局部振动模态，其与通过一个(或多个)基体材料通道运动的多个声子相互作用并减慢至少一部分相互作用的声子的群速度，并且可能引起模态局部化和/或提高的声子散射。此外，可降低通过基体材料的热传输同时至少实质上允许电子传输通过一个或多个基体材料通道。
此外，虽然在一些实施方式中，包围的基质材料可包含原子无序材料，例如包围的基体材料可包含晶态或至少部分晶态的材料，其使2D或1D复合材料改造成例如以上关于图38和41描述的块状3D复合材料。此外，如图42中显示，块状复合材料可包含多个重复单元(例如单位元)，例如具有图42中显示的结构。因此，可通过一维、二维或三维重复的单个单位元来形成一维、二维或三维复合材料结构。
为了便于说明和讨论，在不同的图中引入了各个特征和概念。基于本公开内容，本领域普通技术人员将认识到参照一个或多个附图显示和描述的各个特征和概念可类似地与参照一个或多个其它附图描述的其它特征和概念组合使用。在图22-28中，例如，可在一个或多个额外的实施方式中组合特征的组合或子组合。
声子超构材料和用于减慢在基体材料内行进的声子的群速度的方法的进一步描述在以下文献中进一步详细描述：B.L.Davis和M.I.Hussein，Physical Review Letters112，055505(2014)，其通过引用以其全文并入本文，如同在本文中完全阐述一样。纳米声子超构材料和用于减慢在基体材料内行进的声子的群速度的方法的另外的描述在以下文献中进一步详细描述：Honarvar,H.和Hussein,M.I.，Physical Review B，93，08l4l2(R)，2016；Honarvar,H.,Yang,L.和Hussein,M.I.，Applied Physics Letters，108，263101，2016；以及Honarvar,H.和Hussein，M.I.，“Two orders of magnitude thermalconductivity reduction in silicon membranes by resonance hybridizations,”arXiv:1606.08591。
虽然本文详细描述了关于降低通过基体材料的热传输的声子超构材料的特定应用，但是声子超构材料可用于许多其它应用中。例如，这样的声子超构材料可用于例如但不限于应用于热电能量转换的应用和利用由局部共振引起的效应的其它可能的应用。另外的应用的实例包括传感器、集热器、散热器、热发射器、半导体、超导体、光伏材料、光机械材料、天线、光子材料、光吸收体、激光器、红外材料、量子计算等。
虽然以上以一定程度的特殊性描述了本发明的多种实施方式，但是本领域技术人员可对所公开的实施方式进行多种改变而不背离本发明的精神或范围。所有方向参考(例如上、下、向上、向下、左、右、向左、向右、顶部、底部、上方、下方、竖直、水平、顺时针和逆时针)仅用于标识目的以帮助读者理解本发明，而不是产生限制，尤其是对本发明的位置、取向或用途的限制。应广义地解释连接参考(例如附着、耦合、连接等)，并且其可包括元件的连接之间的中间构件和元件之间的相对运动。如此，连接参考不必指两个元件直接连接并且彼此成固定关系。意图在以上描述中含有或在附图中显示的所有内容应被解释为仅是说明性的而不是限制性的。在不背离所附权利要求书中限定的发明的精神的情况下，可对细节或结构进行改变。
Claims (52)
1.用于降低通过至少部分晶态的基体材料的热导率的方法，该方法包括：
通过在以下至少一者内至少一个原子的振荡产生多个局部振动模态：
夹杂物，被设置在该至少部分晶态的基体材料内的至少一个柔性或软材料层至少部分包围；和
亚结构，包含至少一种材料并从该至少部分晶态的基体材料的表面延伸，其中至少一个柔性或软材料层设置在该亚结构和该至少部分晶态的基体材料之间；和
使通过该夹杂物或延伸亚结构产生的局部振动模态中的至少一个与在基体材料内运动的多个声子相互作用从而提供以下至少一者：(1)在该至少部分晶态的基体材料中载热声子的群速度降低，(2)共振区域内模态局部化，其导致使热局部化而不是将其传输跨过该至少部分晶态的基体材料，和(3)在声子能带结构中共振耦合区域附近声子寿命降低。
2.根据权利要求1所述的方法，其中该至少一个柔性或软材料层包含石墨。
3.根据权利要求1所述的方法，其中该至少一个层包含橡胶材料和聚合物材料中至少一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其中该至少一个层包围该夹杂物。
5.根据权利要求1所述的方法，其中该夹杂物被该至少一个层和一个或多个空隙包围。
6.根据权利要求1所述的方法，其中该多个局部振动模态与该至少部分晶态的基体材料的底层晶格色散相互作用并且该至少一个振动模态和该多个声子的相互作用降低在每个振动模态和该多个声子之间频率耦合处和附近的至少一部分相互作用的声子的群速度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中该至少部分晶态的基体材料包含以下至少一种：半导体材料，硅半导体材料，锗半导体材料，砷化镓半导体材料，超晶格材料，复合材料，纳米复合材料，纳米结构化纳米复合材料，合金化材料，微米复合材料，微米结构化微米复合材料，毫米复合材料，毫米结构化毫米复合材料，热电材料，纳米结构化热电材料，在纳米结构化热电材料的本体内以周期性或随机空间分布包括一个或多个孔、夹杂物或界面的纳米结构化热电材料，微米结构化热电材料，在微米结构化热电材料的本体内以周期性或随机空间分布包括一个或多个孔、夹杂物或界面的微米结构化热电材料，微米声子晶体，毫米结构化热电材料，在毫米结构化热电材料的本体内以周期性或随机空间分布包括一个或多个孔、夹杂物或界面的毫米结构化热电材料，声子晶体，纳米声子晶体，微米声子晶体和毫米声子晶体。
8.根据权利要求1所述的方法，其中减慢至少一部分相互作用的声子的群速度改进了热电能量转换品质因数ZT。
9.根据权利要求1所述的方法，其中至少一个夹杂物包含原子有序材料和原子无序材料中至少一种。
10.根据权利要求1所述的方法，其中该至少部分晶态的基体材料包含多个重复的单位元，每个重复的单位元具有至少一个夹杂物或延伸亚结构。
11.根据权利要求10所述的方法，其中每个重复的单位元包含至少多个夹杂物或延伸亚结构，多个夹杂物或延伸亚结构在以下至少一个方面变化：高度、横截面积、形状、取向、材料、材料组成、材料分布和表面粗糙度。
12.根据权利要求1所述的方法，其中多个夹杂物和至少部分包围的层随机设置在该至少部分晶态的基体材料内。
13.根据权利要求1所述的方法，其中该至少部分晶态的基体材料包含多个重复的单位元，每个重复的单位元具有夹杂物和延伸亚结构中至少一种。
14.根据权利要求13所述的方法，其中每个重复的单位元包含设置在重复的单位元内或重复的单位元并列的多个夹杂物或延伸亚结构，该多个夹杂物或延伸亚结构在以下至少一个方面变化：高度、横截面积、形状、尺寸、取向、表面粗糙度和材料。
15.根据权利要求1所述的方法，其中该基体材料包含至少一个相对没有阻碍电子流过该基体材料的传输区域。
16.根据权利要求1所述的方法，其中至少一个夹杂物或延伸亚结构包含与该至少部分晶态的基体材料相同的夹杂物或延伸亚结构材料。
17.根据权利要求1所述的方法，其中至少一个夹杂物或延伸亚结构包含与该至少部分晶态的基体材料不同的至少一个夹杂物或延伸亚结构材料。
18.根据权利要求1所述的方法，其中延伸亚结构包含以下一种或多种：层、柱、壁、板或环。
19.根据权利要求1所述的方法，其中该至少部分晶态的基体材料包含以下至少一种：纳米尺度一维材料、纳米尺度线形基体材料、纳米尺度棒形基体材料、纳米尺度二维基体材料、纳米尺度薄膜基体材料、纳米尺度膜片基体材料、微米尺度一维材料、微米尺度线形基体材料、微米尺度棒形基体材料、微米尺度二维基体材料、微米尺度薄膜基体材料、微米尺度膜片基体材料、毫米尺度一维材料、毫米尺度线形基体材料、毫米尺度棒形基体材料、毫米尺度二维基体材料、毫米尺度薄膜基体材料、毫米尺度膜片基体材料、具有向其深度中延伸的材料的表面、三维基体材料和块状材料。
20.根据权利要求1所述的方法，其中至少一个特征尺寸包括以下一个或多个：薄膜的厚度、膜片的厚度、线的横截面尺寸、棒的横截面尺寸、局部共振振荡器的尺寸和局部共振振荡器之间的间隔距离，在1纳米至1cm的量级。
21.根据权利要求1所述的方法，其中至少一个特征尺寸包括以下一个或多个：薄膜的厚度、膜片的厚度、线的横截面尺寸、棒的横截面尺寸、夹杂物或延伸亚结构的尺寸和在夹杂物或延伸亚结构之间的间隔距离，所述至少一个特征尺寸小于基体材料中的平均自由程或在基体材料中的平均自由程范围内。
22.根据权利要求1所述的方法，其中以允许相互作用的局部共振具有以下特性中一种或多种的方式来选择至少一个夹杂物或延伸亚结构的类型、几何形状和材料特征和该至少部分晶态的基体材料的类型、几何形状和材料特征：很多并且在对应于与基体材料的声学分支一样低的频率范围内开始的基体材料的声子谱上充分分散，并且权衡以至少部分地符合声子的载热频率分布。
23.根据权利要求1所述的方法，其中基体材料和夹杂物或延伸亚结构至少部分被外部基质包围以提供块状热电材料。
24.根据权利要求1所述的方法，其中该夹杂物包含设置在包含原子无序材料的夹杂物内的内部夹杂物。
25.声子超构材料结构，包含：
至少部分晶态的基体材料，其被构造为允许多个声子运动从而提供通过该基体材料的热传导；
以下至少一种：
夹杂物，被设置在该至少部分晶态的基体材料内的至少一个柔性或软材料层至少部分包围，和
亚结构，从该至少部分晶态的基体材料延伸，其中至少一个柔性或软材料层设置在该亚结构和该至少部分晶态的基体材料之间；
其中构造至少一个夹杂物或延伸亚结构以通过在夹杂物或延伸亚结构的至少一个内至少一个原子的振荡产生至少一个振动模态从而提供以下至少一者：(1)在至少部分晶态的基体材料中载热声子的群速度降低，(2)共振区域内模态局部化，其导致使热局部化而不是将其传输跨过该至少部分晶态的基体材料，和(3)在声子能带结构中共振耦合区域附近声子寿命降低。
26.根据权利要求25所述的声子超构材料结构，其中该至少一个柔性或软材料层包含石墨。
27.根据权利要求25所述的方法，其中该至少一个层包含橡胶材料和聚合物材料中至少一种。
28.根据权利要求25所述的方法，其中该至少一个层包围该夹杂物。
29.根据权利要求25所述的方法，其中该夹杂物被该至少一个层和一个或多个空隙包围。
30.根据权利要求25所述的声子超构材料结构，其中多个局部振动模态与该至少部分晶态的基体材料的底层晶格色散相互作用并且至少一个振动模态和该多个声子的相互作用降低在振动模态和该多个声子之间频率耦合处或附近的至少一部分相互作用的声子的群速度。
31.根据权利要求25所述的声子超构材料结构，其中该至少部分晶态的基体材料包含以下至少一种：半导体材料，硅半导体材料，锗半导体材料，砷化镓半导体材料，超晶格材料，复合材料，纳米复合材料，纳米结构化纳米复合材料，合金化材料，微米复合材料，微米结构化微米复合材料，毫米复合材料，毫米结构化毫米复合材料，热电材料，纳米结构化热电材料，在纳米结构化热电材料的本体内以周期性或随机空间分布包括一个或多个孔、夹杂物或界面的纳米结构化热电材料，微米结构化热电材料，在微米结构化热电材料的本体内以周期性或随机空间分布包括一个或多个孔或夹杂物的微米结构化热电材料，微米声子晶体，毫米结构化热电材料，在毫米结构化热电材料的本体内以周期性或随机空间分布包括一个或多个孔、夹杂物或界面的毫米结构化热电材料，声子晶体，纳米声子晶体，微米声子晶体和毫米声子晶体。
32.根据权利要求25所述的声子超构材料结构，其中构造至少一个夹杂物或延伸亚结构以改进热电能量转换品质因数ZT。
33.根据权利要求25所述的声子超构材料结构，其中该至少部分晶态的基体材料包含多个重复的单位元，每个重复的单位元具有至少一个夹杂物或延伸亚结构。
34.根据权利要求33所述的声子超构材料结构，其中每个重复的单位元包含至少多个夹杂物或延伸亚结构，该多个夹杂物或延伸亚结构在以下至少一个方面变化：高度、横截面积、形状、取向、材料、材料组成、材料分布和表面粗糙度。
35.根据权利要求25所述的声子超构材料结构，其中多个夹杂物随机设置在该至少部分晶态的基体材料内。
36.根据权利要求25所述的声子超构材料结构，其中延伸亚结构包含以下一种或多种：层、柱、壁、板或环。
37.根据权利要求33所述的声子超构材料结构，其中每个重复的单位元包含设置在重复的单位元内或重复的单位元并列的多个夹杂物或延伸亚结构，该多个夹杂物或延伸亚结构在以下至少一个方面变化：高度、横截面积、形状、尺寸、取向、表面粗糙度和材料。
38.根据权利要求25所述的声子超构材料结构，其中该基体材料包含至少一个相对没有阻碍电子流过基体材料的传输区域。
39.根据权利要求25所述的声子超构材料结构，其中该至少部分晶态的基体材料包含以下至少一种：纳米尺度一维材料、纳米尺度线形基体材料、纳米尺度棒形基体材料、纳米尺度二维基体材料、纳米尺度薄膜基体材料、纳米尺度膜片基体材料、微米尺度一维材料、微米尺度线形基体材料、微米尺度棒形基体材料、微米尺度二维基体材料、微米尺度薄膜基体材料、微米尺度膜基体材料、毫米尺度一维材料、毫米尺度线形基体材料、毫米尺度棒形基体材料、毫米尺度二维基体材料、毫米尺度薄膜基体材料、毫米尺度膜片基体材料、具有向其深度中延伸的材料的表面、三维基体材料和块状材料。
40.根据权利要求25所述的声子超构材料结构，其中至少一个特征尺寸包括以下一个或多个：薄膜的厚度、膜片的厚度、线的横截面尺寸、棒的横截面尺寸、局部共振振荡器的尺寸和局部共振振荡器之间的间隔距离，在1纳米至1厘米的量级。
41.根据权利要求25所述的声子超构材料结构，其中至少一个特征尺寸包括以下一个或多个：薄膜的厚度、膜的厚度、线的横截面尺寸、棒的横截面尺寸、夹杂物或延伸亚结构的尺寸和在夹杂物、层、柱或壁之间的间隔距离，小于基体材料中的平均自由程。
42.根据权利要求25所述的声子超构材料结构，其中布置在该至少部分晶态的基体材料内或与该至少部分晶态的基体材料并列的至少一个夹杂物或延伸亚结构通过以下至少一种制造：沉积、物理气相沉积、化学气相沉积、电化学沉积、分子束外延、原子层沉积、去除、蚀刻、湿法蚀刻、干法蚀刻、化学-机械平面化、图案化、光刻、离子束光刻、使用支架、纳米架构的晶格结构和使用纳米晶格作为在其上图案化热电材料的支架。
43.根据权利要求25所述的声子超构材料结构，其中至少一个夹杂物或延伸亚结构包含与该至少部分晶态的基体材料相同的材料。
44.根据权利要求25所述的声子超构材料结构，其中至少一个夹杂物或延伸亚结构包含与该至少部分晶态的基体材料不同的至少一种材料。
45.根据权利要求25所述的声子超构材料结构，其中多个夹杂物或延伸亚结构包含与该至少部分晶态的基体材料不同的至少一个夹杂物或延伸亚结构材料。
46.根据权利要求25所述的声子超构材料结构，其中以允许相互作用的局部共振具有以下特性的方式来选择至少一个夹杂物或延伸亚结构的类型、几何形状和材料特征和该至少部分晶态的基体材料的类型、几何形状和材料特征：很多并且在对应于与基体材料的声学分支一样低的范围内开始的基体材料的声子谱上充分分散，并且权衡以至少部分地符合声子的载热频率分布。
47.根据权利要求25所述的声子超构材料结构，其中该超构材料包含至少一个设置在该基体材料内的夹杂物和至少与该基体材料并列的延伸亚结构。
48.根据权利要求25所述的声子超构材料结构，其中该基体材料和夹杂物或延伸亚结构至少部分被外部基质包围从而提供块状热电材料。
49.根据权利要求48所述的声子超构材料结构，其中该外部基质包含适于通过该外部基质的原子无序材料内至少一个原子的振荡提供多个局部振动模态的材料。
50.根据权利要求25所述的声子超构材料结构，其中该夹杂物包含设置在外部夹杂物内的内部夹杂物。
51.根据权利要求50所述的声子超构材料，其中该内部夹杂物包含比改变局部振动模态的一个或多个频率的该外部夹杂物相对更重的材料。
52.根据权利要求25所述的声子超构材料结构，其中延伸亚结构包含具有与延伸亚结构的材料相对不同重量的材料。
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