聲子輸運
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
聲子輸運的實例教程
近年來，在界面熱輸運理論和模擬方面取得了許多進展，主要集中在原子尺度上的界面散射。傳統的聲學失配模型(AMM)和擴散失配模型( DMM)基于兩種組成材料的性質來預測界面聲子散射，沒有考慮局部原子結構和鍵合強度對界面熱輸運的影響，存在一定的缺陷。
近期新的模擬手段，例如原子格林函數(AGF)和分子動力學(MD)模擬，克服了這些缺點，已廣泛應用于各種類型的界面。雖然這些MD和AGF在原子尺度上對界面聲子輸運的詳細機制的理解有了顯著的進步，但是它們對模擬更小尺度上的能力有限，例如距離界面幾微米范圍內的聲子-界面和聲子-聲子散射的聯合效應。因此揭示微觀尺度上聲子-界面和聲子-聲子散射的復雜相互作用是非常重要的。
02
成果掠影
近期，美國匹茲堡大學Sangyeop Lee教授團隊研究了硅鍺界面聲子-界面散射和硅鍺引線聲子-聲子散射對界面總熱阻的綜合影響。
利用動力學蒙特卡羅(MC)技術求解了半無限長Si和Ge引線界面上聲子輸運的穩態Peerls - Boltzmann輸運方程。此外，該團隊計算了聲子-聲子散射產生的局部熵，并定量分析了非平衡聲子在界面附近散射產生的熱阻。通過使用Peerls - Boltzmann輸運方程表明，非平衡聲子在Si-Ge界面附近的聲子-聲子散射產生的阻力遠大于界面散射直接引起的阻力。
根據玻爾茲曼H定理，聲子非平衡分布導致了聲子散射時產生顯著的熵和熱阻。用聲子色散、態密度和群速度的不匹配解釋了鍺中非平衡聲子的物理起源，為預測非平衡聲子對界面熱阻的影響提供指導。該團隊的工作清楚地表明，除了先前研究的原子尺度外，界面熱輸運還需要在微觀尺度上理解。該研究彌補了原子尺度和微觀尺度現象之間的差距，提供了對整體界面熱運輸和聲子-聲子散射的重要作用的全面理解。
展開 如果用 Igor Tamm 引入的聲子概念(1932) 來描述晶格振動，則基于 Debye 提出的連續介質假設，這些聲子是一排排齊頭并進的彈性波，它們具有相同的速度 (圖 3c直線的斜率)。因此，不同頻率的聲波不會像行進于介質中的光那樣由于速度不同而慢慢散開、形成彩虹。
注意到，這樣的線性聲子分布表明，聲子行進速度是一個常量，從而簡化了聲子輸運的量化公式。這種不具備形成彩虹能力的線性聲子分布近似，成為最近一個世紀以來固體晶格熱傳導的理論基礎，推動了熱傳輸理論的發展。很顯然，Debye 學得了 Einstein 的精髓，以實驗現象為出發點，大膽假設、小心求證，方得圓滿。他對聲子輸運的定性 / 定量分析結論簡明扼要、亦通俗易懂。這種簡便、親民的作風，使得我輩不費力氣即窺得個中奧妙，也成就了 Debye 近似的名聲。
但是，Debye 的“罪惡”在于他抹殺了聲的彩虹。如果任其下去，會讓對癡情于聲子的科學人缺少了一環人生的浪漫，難以繼續一起愉快玩耍。
3. 青年之聲
時光流逝，到了近期，伴隨測量技術與知識的積累與提升，科學人對聲與熱傳導過程之間的聯系理解更為深入。越來越多更高品質的數據表明：相較于實驗結果而言，基于 Debye 線性聲子分布預測的晶格熱導率呈現出整體高估的趨勢 (圖4)。這一現象在極端情況下尤為明顯。若以極低晶格熱導率的非晶材料為例，宏觀近似下的 Debye 線性聲子分布與真實實驗值比較有大幅偏差 (圖5)。
由此，問題來了：是不是這樣速度相同、整齊劃一的線性分布聲子“部隊”并沒有完整反映出實際晶體的真實聲子色散呢？聲的世界與人的世界應該類似，怎么可能整齊劃一呢？人類社會最大的問題就是做不到整齊劃一，而最大的問題也出在偶爾做到了整齊劃一！
展開 通過第一性原理計算摻雜石墨烯的k，發現摻雜石墨烯的k僅為原始石墨烯的約10%，這表明石墨烯中的雜原子增強了電子-聲子散射。
圖8.(a)石墨烯結構缺陷示意圖,(b)不同缺陷比下石墨烯帶的導熱系數,(c)歸一化熱導率與平均自由程的關系,(d)不同類型聲子的弛豫時間。
除了同位素或雜原子摻雜效應外，Stone-Wales、空位或線缺陷等固有結構缺陷也對聲子輸運有影響。Xie等人發現之字形石墨烯納米帶中的熱輸運受到歸一化導熱系數較低的拓撲線缺陷的影響。Islam還計算了空位缺陷對石墨烯聲子性質的影響。隨著空位的增加，聲子散射受到影響。Tan等人。采用非平衡格林函數法模擬了具有五邊形-七邊形缺陷的石墨烯的熱輸運性質。結果表明，PHD對鋸齒形和扶手椅形方向都有影響，k對缺陷區域的寬度不敏感。缺陷影響的詳細計算結果表明，即使在0.23%的低濃度下，單缺陷、雙缺陷和Stone-Wales缺陷的k值也分別降低了~57.6%、~42.4%和~31.9%。
2.2 尺寸效應
石墨烯片的晶粒尺寸也是決定彈道或擴散聲子輸運的重要因素之一。值得注意的是，晶粒尺寸與橫向尺寸不同，例如大尺寸的氧化石墨烯薄片甚至可以達到10000 μm2，但由于結構缺陷，其晶粒尺寸仍然很小。已知聲子平均自由程(MFP)長度對熱輸運有重要貢獻。Xu等人在室溫下測量了石墨烯片(最長尺寸為9)，其κ值為1689 W/mk至1813 W/mk。此外，NEMD對石墨烯中熱傳遞的刺激與實驗相似。觀察到k隨著樣本長度的增加而增加，當L比平均MFP長一個數量級時，k的比例為logL。
展開 聲子傳輸的模擬證實了平面空位在散射中頻聲子中的重要作用。這種高密度的平面空位與晶界和點缺陷一起，導致Ge1-x-yCdxBiyTe中的晶格熱導率急劇下降。最終，實現了2.2的峰值zT，這促使GeTe成為一個尖端熱電材料的梯隊。
【成果簡介】
針對GeTe的多能帶現象，研究者們利用Cd參雜來減小這些能帶間的能量差，這個現象被計算的能帶得以證實。而且，測試的電性能參數確實得到有效提升，詳細的電子輸運模擬分析發現，塞貝克系數的提升是源于次能帶的貢獻增加導致的。但載流子濃度在Cd參雜的GeTe中依然偏高。利用Bi參雜，有效降低載流子濃度，使得功率因此實現較優化的值。測試的熱導率也顯著降低。為深入理解此種現象，研究者們做了大量的TEM和球差STEM電鏡表征。發現這種材料中存在大量的面空位陣列。聲子輸運模擬揭露出，此種新型面空位陣列主要散射中頻聲子，結合材料中的晶界以及由于參雜帶來的點缺陷，就實現了一種寬頻聲子散射機制。從而就得到了顯著降低的熱導率。
在該項成果發表之前，課題組先研究了GeTe相變對熱電性能的影響。首先利用Sb參雜來調控載流子濃度，實現較優化的功率因子。在此基礎上，利用In參雜來實現DOS在費米能級處的局部畸變，從事實現功率因子的進一步增大。在Sb和In共參雜的GeTe中，研究者們發現相變溫度有所降低。首先，利用原位變溫XRD譜，得到了一些列不同溫度下的GeTe的晶格參數，根據這些晶格參數，計算了相應溫度下的能帶和聲子色散譜。GeTe的能帶結構中，有兩個不同的價帶可以參與載流子傳輸。隨溫度升高，價帶見的能級差降低，在相變位置處，能級差產生顯著降低的跳躍。Cubic相對于更小的能級差，而且能帶簡并度顯著增大。從而高溫相對于的電性能會更好。
展開 熱傳遞的一種形式是聲子傳輸，雖然調制聲子比電子面臨更大的挑戰，但由于聲子器件的概念化，聲子輸運的主動和可逆控制以減輕與熱相關的擔憂已經激發了人們廣泛的研究興趣。
到目前為止，聲子輸運或導熱系數k(即熱開關)的主動可逆控制已經通過許多不同的方法進行了探索：應變工程、光觸發分子鏈排列、電化學控制相變或離子插層、溫度觸發相變、電場驅動疇壁密度變化等。在實際應用中，高性能熱開關應滿足三個關鍵條件：高開關比、大開關周期和短開關時間。盡管對各種材料的熱開關方法進行了廣泛的研究，但很難找到一種在室溫下滿足所有三個基本條件的材料。鐵電體因其可調控的疇結構而成為熱開關的理想候選材料。然而，鐵電體的開關比很低（<1.2）。
02
成果掠影
東南大學陳云飛團隊和哈爾濱工業大學（深圳）陳祖煌團隊聯合報告了高質量的反鐵電 PbZrO3 外延薄膜在小電壓（<10 V）下表現出高對比度（>2.2）、快速度（<150 納秒）和長壽命（>107）的熱轉換性能。原位互易空間映射和原子模型顯示，場驅動的反鐵電-鐵電相變引起原始晶胞尺寸的顯著變化，這極大地調節了聲子-聲子散射相空間，并導致了高開關比。這些結果推進了鐵電材料熱傳輸控制的發展。研究成果以“Low voltage–driven high-performance thermal switching in antiferroelectric PbZrO3 thin films”為題發表于《Science》。論文第一作者為南京師范大學劉晨晗副教授、哈爾濱工業大學（深圳）博士研究生司洋洋和東南大學博士研究生張華。
03
圖文導讀
圖1. 熱開關示意圖和導熱系數調控機理。
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聲子輸運的最新內容
在雙熱源模型的基礎上，我們提出了一個考慮偏置相關聲子輸運的雙導熱模型來預測HEMT中器件結溫。該模型易于與基于有限元法的熱分析相結合，無需耗時的多尺度電熱模擬。
熱傳遞的一種形式是聲子傳輸，雖然調制聲子比電子面臨更大的挑戰，但由于聲子器件的概念化，聲子輸運的主動和可逆控制以減輕與熱相關的擔憂已經激發了人們廣泛的研究興趣。
到目前為止，聲子輸運或導熱系數k(即熱開關)的主動可逆控制已經通過許多不同的方法進行了探索：應變工程、光觸發分子鏈排列、電化學控制相變或離子插層、溫度觸發相變、電場驅動疇壁密度變化等。
低溫下所有非晶聚合物的導熱行為基本一致，服從 ｋ∝T2，這和非晶無機物在低溫下的ｋ∝T0.8 相似，源自具有類似結構的彈性介質能夠支撐高波長的聲子能量輸運。而高溫下的聚合物導熱則變得多樣化，且具有明顯的溫度依賴性。
結果表明，只要摻雜1%的13C，石墨烯晶格中的聲子輸運就會發生很大的變化。Kim等人。通過第一性原理計算摻雜石墨烯的k，發現摻雜石墨烯的k僅為原始石墨烯的約10%，這表明石墨烯中的雜原子增強了電子-聲子散射。
圖8.
基于聲子玻爾茲曼方程的介觀模型忽略了聲子輸運過程中的波動效應，借鑒了氣體輸運機制理論，利用聲子分布函數來描述不同聲子模式的分布，從而建立了描述聲子輸運的動態理論框架。
由于聚合物鏈的隨機糾纏，聚合物的高分子量和分散性意味著聚合物很難形成完整的晶體。半結晶聚合物包含少量的晶體區域，其中原子緊密相連，通過晶格的振動實現熱傳遞。
與在特定應用中可以設計的材料厚度和界面條件不同，導熱性是依賴于電子和聲子輸運的材料的固有特性。在自由電子有限的二維材料中，熱傳導主要由聲子控制。我們還注意到，由于二維材料的原子結構各向異性，其導熱性在不同方向上變化很大。
雖然熱輸運在TBG已經研究了一段時間，潛在的聲子輸運機制在不同的扭轉角度仍然不清楚。首先，已知的魔角約為1.08度。然而，目前研究熱輸運的實驗和模擬并沒有涵蓋這個角度，而是研究了從0度到30度的大角度步長。因此，導熱系數如何圍繞魔角變化仍然是一個未解決的問題。
除雜質原子會影響聲子輸運外，晶格中固有的結構缺陷也是聲子散射中心，如空位、界面、線缺陷等。
除了邊界或界面，孔隙率是另一種有效的策略，有望干擾聲子輸運以提高ZT。根據有效介質理論，導熱系數隨孔隙率的增加幾乎呈線性減小。如果電輸運受到的影響較小，則可以凈增加功率因子與熱導率的比值PF / κ，從而獲得增強的ZT，這已經在BiSbTe、SnTe和方鈷礦中實現。然而，納米級孔隙對熱電性能的作用目前仍存在爭議，因為在某些情況下，電導率的降低速率比熱導率的降低速率快得多，這將導致ZT惡化。
雖然這些MD和AGF在原子尺度上對界面聲子輸運的詳細機制的理解有了顯著的進步，但是它們對模擬更小尺度上的能力有限，例如距離界面幾微米范圍內的聲子-界面和聲子-聲子散射的聯合效應。因此揭示微觀尺度上聲子-界面和聲子-聲子散射的復雜相互作用是非常重要的。
