表面声子模式主导的极性材料间极近场热传递的晶体取向依赖性

论文信息：

Wei-Zhe Yuan,Yangyu Guo,Hong-Liang Yi, Crystal Orientation Dependence of Extreme Near-Field Heat Transfer between Polar Materials Governed by Surface Phonon Modes, arXiv:2509.13837,(2025).

论文链接：https://doi.org/10.48550/arXiv.2509.13837

研究背景

近年来，随着微纳制造技术和电子器件的快速发展，在辐射与热传导之间的过渡区域——特别是真空间隙小至数纳米的极端近场条件下——热传递机制的研究变得尤为重要。该领域已有研究指出，非局域光学响应和声子隧穿效应对热输运具有显著影响，然而，晶体取向对这一过程的调控机制仍不明确。尤其对于极性材料如氧化镁（MgO），其表面声子模式与体材料存在显著差异，且在极端近场条件下可能主导能量传递行为。尽管已有不少研究关注晶体各向异性对界面热输运的影响，但在亚纳米真空间隙中，取向如何通过表面晶格振动影响热导，仍是一个尚未深入探索的关键问题。理解这一机制，不仅有助于揭示近场热传递的物理本质，也对电子器件热管理技术的进一步发展具有重要意义。

研究内容

本研究聚焦于极性材料在极端近场条件下的热输运行为，重点探讨晶体取向对传热过程的调控机制及其物理起源。以氧化镁（MgO）这一典型的离子晶体为研究对象，采用非平衡分子动力学（NEMD）模拟结合格林-久保方法计算介电响应，系统分析了在亚纳米至纳米级真空间隙中，热流随晶体取向、间隙尺寸与振动模式的演化规律。研究不仅揭示了表面声子模式在能量传递中的主导作用，还明确了连续介质理论在原子尺度下的适用界限，为极端近场热管理技术的开发提供了重要的理论依据。

在极端近场条件下，热传递机制呈现出丰富的物理内涵。当两介质间隙缩小至数埃米时，传统的远场辐射理论已不再适用，此时需同时考虑倏逝波隧穿、声子传递及电子跃迁等效应。对于MgO这类极性电介质，其声子极化激元与电磁场的强耦合行为尤为关键。已有研究表明，在极小间隙下，非局域介电响应和声子隧穿效应显著，但晶体结构与表面原子排列的影响尚未得到系统研究。本文通过构建沿[100]、[110]及[210]晶向的MgO–MgO间隙模型，在严格弛豫原子结构的基础上展开NEMD计算，提取量子修正后的热导与频谱传递函数，进而分析不同晶向所导致的声子态密度分布与界面振动特性的变化。

图1. 间隙尺寸为d的MgO-MgO纳米间隙的NEMD模型示意图:(a) 固定层和恒温层的长度分别为Lf 和Lth，而纳米间隙一侧的器件区域长度为Ld。具有晶体取向的原子模型示意图:(b)[100],(c)[110]和(d)[210]。蓝色和红色原子分别表示 Mg2+和O2-离子。阴影区域表示提取局部振动密度态的区域(标记为L1、L2、L3和L4)。间隙尺寸是表面原子中心之间的距离。

模拟结果显示，热导在极小间隙下（约5Å）具有显著的晶体取向依赖性。具体而言，[100]取向的体系表现出最高的热导，较[110]和[210]高出约30%，而后两者热导水平接近。这一差异源于表面原子排布的不同：[100]晶面为极性表面，呈现交替分布的Mg²⁺和O²⁻离子，具有明显的电荷起伏与更强的长程库仑相互作用；而[110]表面则由电中性的原子对构成，其表面偶极矩较低，声子激发与耦合机制因此有所不同。[210]表面结构更为复杂，其非对称性进一步抑制了声子的横向传输。值得注意的是，随着间隙增大，取向依赖性迅速减弱；当间隙超过6Å时，三者的热导趋于一致，说明在较大尺度下宏观连续介质理论重新占主导，局域原子细节的影响被逐渐抹平。

图2. 通过非平衡分子动力学模拟得到的不同晶体取向的MgO-MgO纳米间隙热导率与间隙尺寸d的关系，在300K下。带有误差条的蓝色、绿色和红色方块表示不同晶体取向的当前结果。

对频谱热导的深入分析进一步揭示出声子隧穿的能量分布与表面模式的紧密关联。在5Å间隙下，频谱热导覆盖了整个声子频谱（0–25THz），既包含来自体材料声子色散关系的贡献，也出现了仅存在于表面的振动模式。低频区域（0–10 THz）的传导主要归因于纵声学支（LA）与横声学支（TA）声子，其峰值位置与由非局域介电函数反推得到的体材料声子色散吻合良好。而在10–15THz的中频区域，不同晶向的频谱热导出现显著差异，具体表现为特征峰位置及强度的变化：[100]取向在10.11THz和13.41THz处出现明显共振；[110]在15THz附近存在单一宽峰；而[210]则在11.86THz处激发。这些频率与由宏观块体材料预测的声子极化激元频率存在明显偏移，强烈暗示表面局域振动模式在能量传递中起到关键作用。

图3. 不同间隙尺寸下，MgO-MgO纳米间隙在不同晶体取向时的光谱热导率:(a) [100]，(b)[110]和(c)[210]。(d)-(f)不同间隙尺寸、不同晶体取向时MgO-MgO纳米间隙中表面层的归一化局部声子态密度。灰色虚线用于辅助观察。

为证实表面声子模式的存在并厘清其与体声子的区别，研究进一步提取了界面附近数层原子（标记为L1至L4）的局域振动态密度（VDOS）。结果显示，最表层（L1）的VDOS与体材料存在根本性差异：不仅出现新的振动峰，原有声子峰也发生频移或展宽。这种差异来源于界面处平移对称性的破缺以及原子配位数的改变，导致局域力常数与振动模态的重构。尤为关键的是，频谱热导中的主要峰位与表面VDOS特征高度吻合，表明这些局域模式构成了声子隧穿的有效通道。例如，[100]取向在16.05THz和20.72THz处的热导峰在表面VDOS中同样存在，而在体VDOS中并无体现。这一发现证实了极端近场热输运不仅依赖于体材料声子属性，更敏感于表面原子结构与对称性。

图4. 体材料MgO在对数尺度(即logε”)下300K处非局域介电函数的虚部，显示了沿 (a)[100]、(b)[110]和(c)[210]方向的声子色散。

尽管如此，研究中仍观察到某些热导特征无法完全由表面VDOS解释。例如在[100]和[210]取向下，18–22THz区间的谱热导响应可能来源于表面声子极化激元（SPhP）与电磁倏逝波的耦合。这类耦合模式受到材料介电函数与波矢方向共同调制，其激发条件与晶体取向紧密相关。相比之下，非极性的[110]表面由于其原子排列抑制了此类耦合，因而在相应频段未出现明显响应。这说明在极端近场条件下，热传递同时受到短程原子振动与长程电磁相互作用的影响，二者贡献的相对大小与间隙尺寸、材料属性及晶体取向密切相关。

随着间隙尺寸增大，频谱热导的分布发生系统性演变：高频与声学声子的贡献逐渐减弱，能量传递愈发集中于剩余光学声子支与SPhP模式。当间隙达到12 Å时，NEMD模拟得到的热导谱与基于平衡分子动力学（EMD）提取的局域介电函数所构建的涨落电动力学（FE）理论预测高度一致。该一致性说明在此尺度下，材料响应可较好地由宏观介电描述捕获，原子尺度的表面效应与取向相关性退居次要。值得注意的是，即使在该尺度下，NEMD结果仍略高于连续介质预测，这可能是由于表面模式残余效应或声子隧穿的额外贡献，也反映出宏观理论在捕捉介观—纳米过渡区域物理时的固有局限。

图5. 不同晶体取向的MgO-MgO纳米间隙在间隙尺寸为12Å时，通过非平衡分子动力学获得的光谱热导率与有限元局部理论的比较。

结论与展望

综上所述，本研究说明了晶体取向对极性材料在极端近场条件下的热传递具有关键影响。在约5Å的真空间隙中，[100]晶向表现出比[110]和[210]高出约30%的热导，而超过6Å后取向效应逐渐消失，表明在极小尺度下原子排列与表面声子模式对传热起主导作用。谱热导分析进一步发现，其共振频率与表面声子的振动特征高度吻合，这些模式因界面对称性破缺而产生，显著区别于体材料声子行为，构成了能量传递的主要通道。随着间隙增大，热输运行为逐渐趋近于连续介质理论预测，说明宏观理论在描述有限尺寸与原子细节方面的局限性。未来需进一步从物理上理解表面声子模式的激发机制及其对非局域光学响应的贡献，特别是在不同温度和材料组合中的普适性。发展能够兼容原子细节与介电响应的多尺度理论模型，将是衔接微观模拟与宏观观测的关键。此外，这一机制为原子级热管理技术——如界面热导设计与纳米器件热调控——提供了新的可能，值得在实验和器件层面展开进一步探索。