利用相干和非相干热源异位调控超晶格声子导热率

第一作者：马腾飞 博士

通讯作者：王岩 教授

单位：University of Nevada

论文信息：Materials Today Physics 29 (2022): 100884

DOI：https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2022.100884

概述

目前改善材料导热性能的方法大多通过直接改变材料自身的成分或结构来实现，例如制造合金或改变微观结构。美国内华达大学（University of Nevada, Reno）王岩教授和马腾飞博士发表在Materials Today Physics 的最新研究展示了在不改变材料的成分或结构的情况下，通过合理选择热源/热阱来控制超晶格结构的有效热导率。本文通过分子动力学模拟表明，当热源/热阱的声子透射谱与超晶格器件的声子透射谱一致时，超晶格器件的有效热导率可以得到极大的提高。同时，声子传输系数的计算揭示了在器件和热源/热阱的界面附近存在强烈的相干-非相干声子的非平衡状态 (图1)，从而阻碍了热传导。同时本文进一步提出了相干-非相干声子传输模型来解释了这一现象。这项工作提供了一种全新的改变器件导热性能的策略，可以在极大地调整纳米器件导热性能的同时，避免不可逆地改变器件的结构或成分。

（图1） 相干声子和非相干声子的不平衡对超晶格的导热产生阻碍。

简介

本文首先通过分子动力学模拟得到了在使用不同的热源/热阱的情况下超晶格器件的有效热导率。结果表明，合理的选择热源/热阱结构，可以极大的调控超晶格器件的有效热导率。如图2所示，在Lennard-Jones系统中，计算得到了最高400%的有效热导率提升；而在更真实的硅/锗系统中，室温热导率提升了~40%。

为了解释这一现象，作者在结构的不同位置计算了声子传输（透射）系数（图3）。当选择非相干热源/热阱时，其与超晶格器件的声子谱存在较大差异，因此在器件的不同位置表现出不同的声子传输系数，特别是在热浴与器件的界面附近（图3 g-i）。这表明当采用非相干热浴时，存在强烈的相干-非相干声子的不平衡状态，从而阻碍了声子传输。而采用相干热浴时，不同位置的声子传输系数则接近于同一数值（图3 j-k）。

同时，作者提出了相干-非相干声子传输模型来进一步解释这一现象。基于耦合的热扩散方程，可以推导出使用非相干热浴时，超晶格器件的有效热导率会低于用相干热浴的情况。这个模型进一步表明非相干系统中热传输的降低是由热浴与器件界面处的声子非平衡引起的：一方面，热源流出的能量只能进入器件中的非相干声子通道，然后通过非相干-相干声子转换将能量传递给相干声子；另一方面，器件中相干声子携带的能量在进入热阱之前必须再次通过非相干-相干声子转换，将能量转移到非相干声子中。这些过程表现为热浴-器件界面处相干声子和非相干声子之间的不平衡态，这类似于先前研究中报道的金属 - 非金属界面附近的电子 - 声子非平衡状态。

如图4所示，相干-非相干声子传输模型揭示了热浴的类型会在如下情况下更强的影响超晶格的热导率：（1）更短的超晶格结构，（2）更强的相干声子传热比例，以及（3）更弱的相干-非相干声子转换效率。

（图2）（a-f） Lennard-Jones 超晶格热导率：相干热浴和非相干热浴的比较。（g-i）使用相干热浴所能够带来的有效热导率的增加比例。

图3 (a–f) 超晶格器件的不同位置的声子透射谱相对于中心位置的声子透射谱的偏移量. (g–l) 超晶格器件的不同位置的声子透射系数. 注：图（a-f）中更大的偏移量以及图（g-i）中更不水平的曲线都表明更强的相干声子-非相干声子不平衡。

图4 (a) 使用相干热浴的超晶格热导率和使用非相干热浴的超晶格热导率的比值。横坐标是超晶格的无量纲长度，纵坐标代表超晶格内部相干声子热导率和非相干声子热导率的比值。（b）利用相干-非相干声子传输模型推导出来的不同Lennard-Jones超晶格系统中的相干声子热导率和非相干声子热导率的比值。横坐标代表超晶格的平均层厚。

结论

在超晶格结构中，共存的相干声子和非相干声子会对整体的导热产生非常大的影响。这项工作揭示了可以通过合理的选择热源来控制相干声子和非相干声子的非平衡，进而调控整个器件的有效热导率。这种策略可以避免对超晶格本身做出任何材料或者结构上的改变，为微纳米器件的热管理提出了一种新思路。

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