聲子輸運模擬的案例
儲層巖石孔隙尺度的化學輸運模擬
本項目使用真實結構的micro-CT圖像數據，在Simpleware軟件中進行可視化和處理，生成網格化的3D模型，然后將其導出至仿真軟件中研究化學輸運機制。
亮點
從開源庫中獲取真實巖石結構的 micro-CT數據；
在Simpleware ScanIP中進行圖像處理和分割；
在Simpleware FE中為孔隙結構生成高質量的多相網格；
在仿真軟件中進行孔隙尺度化學輸運模擬。
圖像處理
使用帝國理工學院孔隙尺度模型（PERM）聯盟提供的開源巖石CT圖像庫中的micro-CT 數據，獲得孔隙空間和微觀結構的RAW圖像文件。在Simpleware ScanIP中將圖像數據轉換為基于3D體素的幾何結構，為網格劃分做準備。由于CT掃描通常會產生噪音，此步驟的處理極其復雜。為了渲染構造良好的巖石和孔隙相，在ScanIP軟件中使用了一系列的視覺濾波器和圖像處理技術。
圖：Simpleware ScanIP中micro-CT數據的可視化和分割
利用Simpleware FE模塊為多相流模型生成非常穩健的CFD網格，并直接導出至 仿真軟件。
圖：使用Simpleware FE模塊生成網格化的多孔結構模型
然后將網格化的多孔介質模型導入商用偏微分方程（PDE）求解器中求解 Navier-Stokes 方程，計算絕對滲透率等基本參數。這樣的工作流程可以對真實孔隙尺度結構中化學組分的輸運進行模擬。
展開 SIESTA模擬利用聲子色散曲線推導剛度矩陣
剛度矩陣中任意元素都可以根據由第一性原理計算得出的聲子色散曲線來確定。
在本次案例研究中，我們介紹了一個用立方體結構來分析硅、金剛石和銅單晶的剛度矩陣的方法。
如圖1，硅是具有金剛石結構的立方晶體，其剛度矩陣如下所示。
由于立方晶體具有對稱性，使用SIESTA模擬軟件計算可得該模型中有3個獨立元素：C11C11，C12C12，和C44C44。
圖1 硅的金剛石結構
立方晶體的剛度矩陣
硅的聲子色散曲線可以用SEISTA模擬軟件直接計算（如圖2）。
根據硅的晶胞中原子數為2這一事實依據，硅有三種聲振模式和三種光學模式。硅是具有金剛石結構的立方晶體，其色散曲線表現出不同晶體取向的色散特性。
這里我們重點關注從ΓX點指向的(1,0,0)方向，和從ΓL點指向的(1,1,1)方向擴展的聲振模式色散特性。聲振模式的色散特性在近場的長波區呈線性Γ，且該梯度曲線給出了聲速。
圖2 硅的聲子色散曲線
圖3 區域1和2的色散曲線
圖中虛線表示靠近該區域的每個傳播方向上的聲速Γ點，下標L/T代表縱波和橫波。
在（1,0,0）方向傳播的聲波由一個縱波和兩個簡并后的橫波組成，它們各自的聲速和剛度矩陣可以表示為下列關系式，由此結果可得C11C11 和 C44C44。
進一步使用該結果，根據（1,1,1）方向傳播的聲波可以得到c12。在本案例中，梯度（聲速）在Γ點可以通過使用圖中1和2區域的三階最小二乘法構造一條近似曲線獲得，這是SIESTA模塊的聲子分析功能。根據取得的聲速，可以按以下公式計算剛度矩陣。
聲速與(1,0,0)/(1,1,1)方向上剛度矩陣的關系。
各個箭頭表示偏振方向，紅色箭頭表示縱波，綠色箭頭表示橫波。
展開 澳大利亞南昆士蘭大學陳志剛&昆士蘭大學鄒進團隊：通過引入面空位缺陷陣列和能帶工程來實現高性能GeTe
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 十五、Fluent濕空氣模擬-組分輸運模型
<p><span style="color: rgb(0, 0, 0);">FLUENT可以使用組分輸運模型來模擬濕空氣，但這只是組分輸運模型的一個簡單應用，實際上對組分輸運模型應用比較多的是燃燒和化學反應問題。本文主要通過組分輸運模型模擬濕空氣問題來講解該模型的基本使用方法。</span></p><p><span style="color: rgb(0, 0, 0);"> </span></p><p><strong style="background-color: rgb(0, 255, 0);">1 概念介紹</strong></p><p><span style="color: rgb(0, 0, 0);">什么叫做組分輸運？我們通過和多相流概念對比來進行理解，我們知道多相流是指相態不同（氣、液、固）的流體或相同相態但運動狀態不同的流體共同流動，對于這樣的問題我們使用多相流模型可以很清晰的查看流體的相界面分布情況。但是如果多種流體相態和運動狀態都相同，呈現出一種混合狀態比如空氣，不存在相界面，我們應該如何模擬呢？-使用組分輸運模型，所以組分輸運模型實際上是模擬混合物各組分之間或與其他相之間的相互作用。</span></p><p><span style="color: rgb(0, 0, 0);">對于空氣，其由氧氣、氮氣、水蒸氣等氣體組成，如果我們只想了解其中水蒸氣各物理場分布情況，就可以使用組分輸運模型。本例用一個簡單的例子來簡要描述Fluent組分輸運模型模擬濕空氣問題。
展開 
通過模擬分析揭示微觀尺度聲子對Si-Ge界面熱阻的影響
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 奧胡斯大學NPG Asia Materials：WSe2晶體管的雙極性輸運行為和他在模擬電路中的應用
奧胡斯大學NPG Asia Materials：WSe2晶體管的雙極性輸運行為和他在模擬電路中的應用。
【本文亮點】
（1）利用電場力顯微鏡研究了1-40層WSe2的電場屏蔽效應，發現1-3層WSe2屏蔽行為與二維模式的非線性Thomas-Fermi理論相符合；而4-40層WSe2的屏蔽行為則趨向于三維Thomas-Fermi理論，呈現了WSe2的維度效應。
（2）研究了1-40層WSe2場效應晶體管的電學性質，對其載流子濃度，遷移率，雙極性行為進行了深入的分析討論。
（3）研究了WSe2厚度與金半接觸勢壘的依賴關系，發現肖特基勢壘主要體現在空穴區域，且隨著層數的增加，空穴導電的肖特基勢壘逐漸降低。
（4）將WSe2晶體管與Kelvin力顯微鏡相結合，研究了WSe2功函數與外電場的依賴關系，揭示了外電場對WSe2費米能級的調制效應及WSe2雙極性場效應的本質。
（5）構建了基于雙極性WSe2晶體管的模擬電路，呈現出由門電壓可調節的同向/反向電路。
【引言】
相對于單極性晶體管而言，雙極性晶體管能夠很容易的通過調節門電壓使其工作在n-type半導體或者p-type半導體。因此雙極性晶體管有望更高效地簡化電路設計并節約CMOS設計空間。石墨烯和黑磷具有雙極性電場效應。然而石墨烯受限制于其零帶隙的特點而很難應用于邏輯器件中。黑磷雖然具有可觀的帶隙，但是其對大氣比較敏感而較難應用于實際器件中。
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