聲子
關(guān)注創(chuàng)建者：苦練仿真20年 創(chuàng)建時(shí)間：2022-01-08
聲子的實(shí)例教程
傳統(tǒng)的聲學(xué)失配模型(AMM)和擴(kuò)散失配模型( DMM)基于兩種組成材料的性質(zhì)來預(yù)測(cè)界面聲子散射，沒有考慮局部原子結(jié)構(gòu)和鍵合強(qiáng)度對(duì)界面熱輸運(yùn)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(shù)(AGF)和分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬，克服了這些缺點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各種類型的界面。雖然這些MD和AGF在原子尺度上對(duì)界面聲子輸運(yùn)的詳細(xì)機(jī)制的理解有了顯著的進(jìn)步，但是它們對(duì)模擬更小尺度上的能力有限，例如距離界面幾微米范圍內(nèi)的聲子-界面和聲子-聲子散射的聯(lián)合效應(yīng)。因此揭示微觀尺度上聲子-界面和聲子-聲子散射的復(fù)雜相互作用是非常重要的。
02
成果掠影
近期，美國(guó)匹茲堡大學(xué)Sangyeop Lee教授團(tuán)隊(duì)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(duì)界面總熱阻的綜合影響。
利用動(dòng)力學(xué)蒙特卡羅(MC)技術(shù)求解了半無限長(zhǎng)Si和Ge引線界面上聲子輸運(yùn)的穩(wěn)態(tài)Peerls - Boltzmann輸運(yùn)方程。此外，該團(tuán)隊(duì)計(jì)算了聲子-聲子散射產(chǎn)生的局部熵，并定量分析了非平衡聲子在界面附近散射產(chǎn)生的熱阻。通過使用Peerls - Boltzmann輸運(yùn)方程表明，非平衡聲子在Si-Ge界面附近的聲子-聲子散射產(chǎn)生的阻力遠(yuǎn)大于界面散射直接引起的阻力。
根據(jù)玻爾茲曼H定理，聲子非平衡分布導(dǎo)致了聲子散射時(shí)產(chǎn)生顯著的熵和熱阻。用聲子色散、態(tài)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(yù)測(cè)非平衡聲子對(duì)界面熱阻的影響提供指導(dǎo)。該團(tuán)隊(duì)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(yùn)還需要在微觀尺度上理解。該研究彌補(bǔ)了原子尺度和微觀尺度現(xiàn)象之間的差距，提供了對(duì)整體界面熱運(yùn)輸和聲子-聲子散射的重要作用的全面理解。
展開 聲子相干的熱學(xué)性質(zhì)在計(jì)算材料領(lǐng)域有著非常重要的地位，我們可以通過第一性原理計(jì)算得到任一種晶體的熱力學(xué)性質(zhì)，但是很多小伙伴尤其是初學(xué)者還比較陌生，本文介紹基于DFT計(jì)算與聲子相關(guān)的性質(zhì)，是用VASP+phonopy+shengbte計(jì)算一種材料的聲子譜，聲子態(tài)密度，熱力學(xué)性質(zhì)（包括準(zhǔn)簡(jiǎn)諧近似下的亥姆霍子自由能，等壓熱容Cp，熱膨脹系數(shù)，格林愛森參數(shù)，和考慮高階聲子的聲子散射，群速度，聲子自由程，熱導(dǎo)率等等）共分為如下幾個(gè)部分：
(1). 生成4個(gè)輸入文件: POSCAR POTCAR INCAR KPOINTS 然后進(jìn)行優(yōu)化（這一步優(yōu)化精度需要高一點(diǎn)，不然可能會(huì)因?yàn)閮?yōu)化精度不夠而導(dǎo)致的虛頻）
(2). 通過phonopy擴(kuò)胞 生成N個(gè)位移后的POSCAR（N的數(shù)量取決于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，對(duì)稱性越好N的個(gè)數(shù)越少也就是計(jì)算量越小）然后計(jì)算每個(gè)displacement的POSCAR的自洽，得到二階力常數(shù)，同時(shí)也得到了聲子譜，聲子態(tài)密度和等容熱容等熱力學(xué)性質(zhì)
(3). 通過準(zhǔn)簡(jiǎn)諧近似的方法，考慮聲子隨體積的變化，計(jì)算出材料的非簡(jiǎn)偕熱力學(xué)性質(zhì) 比如等壓熱容和熱膨脹系數(shù)等
(4). 利用thirdorder擴(kuò)胞生成N個(gè)位移后的POSCAR 然后每個(gè)都進(jìn)行自洽得到三階力常數(shù)（如有考慮四階力常數(shù)的必要可用fourorder擴(kuò)胞得到四階力常數(shù)）
(5).
展開 計(jì)算聲子散射和聲子態(tài)密度(DOS)
為了計(jì)算聲子散射和聲子態(tài)密度，必須執(zhí)行單點(diǎn)能量計(jì)算，并為計(jì)算選擇適當(dāng)?shù)男阅堋?確保Fe CASTEP GeomOpt目錄中的Fe.xsd是活動(dòng)文檔。
在CASTEP Calculation對(duì)話框上選擇Setup選項(xiàng)卡，并設(shè)置Task為Energy。
在Properties選項(xiàng)卡上，選擇Phonons復(fù)選框，選擇Both 選項(xiàng)以選中態(tài)密度和散射。取消選擇Calculate LO-TO splitting，將Method選為Finite displacement。
縱向光學(xué)橫向光學(xué)(LO)劈裂不能對(duì)金屬進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)樗鼈冊(cè)讦?point是相同的。有限位移方案被設(shè)計(jì)用于金屬和自旋極化系統(tǒng)(以及為那些具有高效超軟勢(shì)能的系統(tǒng))。對(duì)鐵磁性Fe這是理想的計(jì)算聲子勢(shì)能的方法。
點(diǎn)擊More...按鈕，顯示CASTEP Phonon Properties Setup對(duì)話框。確保Method為Finite displacement。設(shè)置Supercell defined by cutoff radius值為3.6 ?。將Dispersion和Density of states的Quality值都設(shè)置為Fine。關(guān)閉CASTEP Phonon Properties Setup對(duì)話框。
注意：Cutoff radius的選擇對(duì)有限位移運(yùn)算是至關(guān)重要的參數(shù)。當(dāng)使用較大的cutoff radius值時(shí)精度較高，因?yàn)檫@時(shí)考慮了更多的近鄰。然而，隨著該值的增加，計(jì)算時(shí)間增加的非常迅速。出于實(shí)際原因，在本教程中，對(duì)該參數(shù)選擇了較小的值。聲子頻率的收斂作為cutoff radius的函數(shù)在執(zhí)行有意義的實(shí)驗(yàn)計(jì)算時(shí)應(yīng)該被研究。
選擇Job Control選項(xiàng)卡并為計(jì)算選擇Gateway。
展開 最近，類似的研究已經(jīng)擴(kuò)展到彈性/聲波在稱為聲子晶體的周期性復(fù)合材料中的傳播。彈性波在周期性復(fù)合介質(zhì)（如聲子晶體）中的傳播是過去十年來許多研究者感興趣的研究對(duì)象。聲子晶體是由矩陣中二維或三維周期排列的內(nèi)含物產(chǎn)生的。聲子晶體可以表現(xiàn)出絕對(duì)帶隙，在這里彈性波在各個(gè)方向上的傳播是被禁止的。這些帶隙出現(xiàn)在一定的密度和彈性性質(zhì)、組成、排列幾何形狀和夾雜形狀的對(duì)比條件下。當(dāng)聲子晶體的周期性被打破時(shí)，在聲帶隙內(nèi)可能會(huì)產(chǎn)生高度局域缺陷，類似于光子晶體中的局域模和半導(dǎo)體中的局域雜質(zhì)態(tài)。擴(kuò)展的缺陷，如聲子晶格中不同的夾雜行已被證明在晶體帶隙內(nèi)引導(dǎo)彈性波。不同缺陷模式可以用來設(shè)計(jì)不同的功能材料。因此，對(duì)聲子晶體的研究具有重要的物理意義。
在COMSOL中，可以用固體力學(xué)或壓力聲學(xué)模塊仿真聲子晶體。
首先以一維聲子晶體為例：
如上圖，模型左右兩部分是不同的材料，并且在左右方向具有周期排列特征。
在物理場(chǎng)中設(shè)置周期性邊界條件：
在周期邊界上設(shè)置一致的網(wǎng)格點(diǎn)，以提高數(shù)值穩(wěn)定性：
仿真得到的一維聲子晶體能帶圖：
對(duì)于實(shí)際的準(zhǔn)周期性模型，可以計(jì)算透射譜，以驗(yàn)證聲子晶體能帶中存在的禁帶現(xiàn)象：
上圖可以明顯看到頻率對(duì)透射率的影響。特定的頻率下，聲波很難從一端傳播到另一端，就是對(duì)應(yīng)的能帶圖中所謂的禁帶。
對(duì)于二維、三維模型，需要根據(jù)對(duì)稱性，建立合適的周期性模型及添加合適的周期性邊界條件。
展開 圖1 隔振/震
但其實(shí)隔振系統(tǒng)還有更多的形式，比如下面這篇文章利用螺旋聲子晶體隔離船上電力系統(tǒng)的低頻振動(dòng)，對(duì)于土木工程領(lǐng)域，也是不錯(cuò)的啟發(fā)。下面給出摘要以及相應(yīng)的演示視頻。
2. Isolating low-frequency vibration from power systems on a ship using spiral phononic crystals | 利用螺旋聲子晶體隔離船上電力系統(tǒng)的低頻振動(dòng)
摘要：局域共振聲子晶體（LRPC）在船舶和海洋工程中用于降低低頻噪聲和振動(dòng)越來越受到人們的關(guān)注。本文采用ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)“長(zhǎng)京9號(hào)”垂直速度波幅譜進(jìn)行了測(cè)量。針對(duì)艦船動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生的低頻機(jī)械振動(dòng)，基于局域共振模式，設(shè)計(jì)并分析了單相螺旋形聲子晶體。對(duì)不同邊界條件和載荷下聲子晶體板的振動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了三種聲子晶體的隔振能力。此外，還對(duì)安裝在鋼板上的隔振平臺(tái)進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，螺旋聲子晶體通過方便地改變柱形結(jié)構(gòu)，對(duì)15～45Hz低頻段具有良好的適應(yīng)性。在船舶振動(dòng)源和邊界復(fù)雜的情況下，LRPC在隔振保護(hù)電子設(shè)備和精密儀器方面有著潛在的應(yīng)用前景。總之，本文的工作是將LRPCs應(yīng)用于船舶振動(dòng)與噪聲控制領(lǐng)域的一次積極探索。
參考文獻(xiàn)
1. Yr A , Xu L A , Xh B , et al. Isolating low-frequency vibration from power systems on a ship using spiral phononic crystals[J]. Ocean Engineering, 225.
3.
展開 
聲子的最新內(nèi)容
自發(fā)拉曼散射源于熱振動(dòng)聲子對(duì)于入射光的散射。受激拉曼散射則是強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用時(shí)產(chǎn)生的受激聲子對(duì)于入射光的散射。
系統(tǒng)描述
本例展示了如何模擬瞬態(tài)拉曼效應(yīng)。當(dāng)高功率超短激光脈沖在大氣中傳播時(shí)，若脈沖寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于拉曼過程的時(shí)間常數(shù)，則該作用過程就可以通過求解描述瞬態(tài)拉曼過程的方程組進(jìn)行模擬。理論手冊(cè)第9章中包含對(duì)瞬態(tài)拉曼效應(yīng)方程的完整描述。
QuantumATK材料建模應(yīng)用示例
電子屬性
功能
計(jì)算能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度(DOS)及其投影、聲子限制遷移率等
研究材料之間界面的電子結(jié)構(gòu)
仿真外電場(chǎng)中的電子表面態(tài)
預(yù)測(cè)有/無電場(chǎng)條件下的反應(yīng)機(jī)理
優(yōu)勢(shì)
在同一框架內(nèi)集成DFT-LCAO與DFT-PlaneWave代碼：靈活調(diào)整/測(cè)試速度與準(zhǔn)確性之間的權(quán)衡
提供包含電子-聲子耦合的先進(jìn)
GLAD應(yīng)用：瞬態(tài)拉曼效應(yīng)10個(gè)月前
自發(fā)拉曼散射源于熱振動(dòng)聲子對(duì)于入射光的散射。受激拉曼散射則是強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用時(shí)產(chǎn)生的受激聲子對(duì)于入射光的散射。
系統(tǒng)描述
本例展示了如何模擬瞬態(tài)拉曼效應(yīng)。當(dāng)高功率超短激光脈沖在大氣中傳播時(shí)，若脈沖寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于拉曼過程的時(shí)間常數(shù)，則該作用過程就可以通過求解描述瞬態(tài)拉曼過程的方程組進(jìn)行模擬。理論手冊(cè)第9章中包含對(duì)瞬態(tài)拉曼效應(yīng)方程的完整描述。
活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)，東南大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)展示了聲子摩擦學(xué)、高性能激光增材制造等八大前沿科研成果，天洑軟件同步發(fā)布工業(yè)軟件領(lǐng)域產(chǎn)教融合合作需求，推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研深度融合?。
基于高取向液晶制備的石墨陣列為聚合物基質(zhì)提供了高效聲子傳輸通道，極大降低了聲子散射并弱化片層/聚合物界面熱阻。石墨陣列基熱界面材料展現(xiàn)出94 W m-1 K-1的導(dǎo)熱率，超過金屬熱界面材料-銦(81 W m-1 K-1)15%。
中子散射表明，固有地分布在互反空間的局部磁振子-聲子混合模式，作為聲子和磁振子之間的橋梁，導(dǎo)致了聲子的大量磁場(chǎng)誘導(dǎo)位移，將冷卻能力（熱量響應(yīng)）提升三倍，對(duì)材料的熱性能具有重要意義。
10
增強(qiáng)稀土基化合物中的磁熱效應(yīng)
J.W. Xu, X.Q. Zheng, L.
聚合物TIMs表現(xiàn)出良好的流變特性，賦予聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料軟彈性，可有助于在固-固界面處實(shí)現(xiàn)強(qiáng)的聲子-電子耦合，提升界面熱傳導(dǎo)效率。不幸的是，提高填料含量，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)提升，但其軟彈性降低。因此，熱導(dǎo)率和機(jī)械性能之間的權(quán)衡是獲得優(yōu)良熱界面材料的有效措施。
剛度矩陣中任意元素都可以根據(jù)由第一性原理計(jì)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(gè)用立方體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的立方晶體，其剛度矩陣如下所示。
剛度矩陣中任意元素都可以根據(jù)由第一性原理計(jì)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(gè)用立方體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的立方晶體，其剛度矩陣如下所示。
剛度矩陣中任意元素都可以根據(jù)由第一性原理計(jì)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(gè)用立方體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的立方晶體，其剛度矩陣如下所示。
