Mater. Today Phys.：量化硅納米結超結構中聲子粒子性和波動性輸運

背景介紹

波粒二象性是電子、光子和聲子等具備的客觀屬性。載流子的波動和粒子輸運規律不同，會導致材料的電學、光學和熱學等性質產生較大差異。因此，可以通過來改變波動和粒子輸運的占比，來調控材料物理特性。近年來，有部分工作定量研究了電子與光子的波動性和粒子性輸運，然而對于半導體和絕緣體中主要能量載流子聲子的研究卻非常少。半導體材料廣泛用于日常生活，包括集成電路等器件的散熱，和熱電器件的熱能/電能轉換。通常對半導體材料熱導率和聲子輸運的調控手段，分別基于聲子波動性或粒子性。在微納尺度，聲子輸運的波動性和粒子性都具有一定貢獻，對其的量化研究必然能對聲子工程提供更豐富的信息，也成為迫切需要解決的問題。

成果簡介

2016年該文作者提出了基于納米結調控材料熱導率的思路，論證了納米結內部基于聲子波動性的局域共振雜化機制[Phys. Rev. B 94, 165434 (2016)]，和同位素替換下特有的雜化破損機制[ Phys. Rev. B 98, 245420 (2018)]。在此基礎上，作者進一步量化了硅納米結聲子超材料中聲子的波動和粒子性輸運。作者基于粒子輸運的蒙特卡洛算法，將非平衡格林函數獲取的聲子波動信息加入蒙特卡洛模擬計算中，通過對比分析納米線和納米結的熱導率差異，量化硅納米結聲子超材料中的聲子波動和粒子效應對熱導率的影響。研究發現，雖然基于聲子波動性的局域共振雜化是導致硅納米結熱導率下降的主要原因，但粒子性輸運的影響同樣占有一定比重。從而得出協同調控聲子波動性和粒子性輸運的重要性。相關研究結果以題為“量化硅納米結超材料中聲子波動性和粒子性輸運”（Quantifying phonon particle and wave transport in silicon nanophononic metamaterial with cross junction）的研究論文[Materials Today Physics 8?56 (2019)]，發表在Materials Today Physics上。

該工作中，華中科技大學能源與動力工程學院楊諾教授和東京大學機械學院Junichiro Shiomi教授為論文的通訊作者，華中大馬登科博士和東大Arora Anuj為共同第一作者，合作者還有華中大鄧世琛以及湖南科技大學謝國鋒教授。(更多研究成果請參考納米傳熱實驗室主頁 http://nanoheat.energy.hust.edu.cn?)

圖文解讀

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圖 1 （a）聲子在硅納米結體系中輸運的示意圖；（b）一個側柱的硅納米結（junction）；（c）四個側柱的硅納米結（junction）。

圖2 （a）300 K下，硅納米線（Wire）和硅納米結體系（NCJ）的熱導率隨橫截面積的變化關系；紅線通過MC計算得到，只考慮了聲子的粒子效應；藍線通過AGFMC 計算得到，聲子的粒子和波動效應都被考慮在內；（b）一個側柱（1-leg）、兩個側柱（2-legs）和四個側柱（4-legs）硅納米結體系中，聲子的波動比隨橫截面積的變化關系。

圖3 （a）不同側柱高度硅納米結的聲子透射譜（Transmission function）。（b）綠線是純納米線（SiNW）中的聲子透射譜，1-leg表示一個側柱，4-legs表示四個側柱；a是硅的晶格常數，1a表示四層硅原子，0.25a則表示只有一層硅原子。

總結展望

總之，本文基于蒙特卡洛框架，將聲子的波動信息通過非平衡格林函數融入傳統MC模擬，通過用MC模擬和AGFMC方法計算不同結構的熱導率，本文量化了硅納米結中聲子波動效應和粒子效應對熱導率的影響。研究發現，當組成硅納米結中納米線的橫截面積僅為2.23 nm²時，對一個側柱和四個側柱的硅納米結，其粒子效應占比分別為0.18和0.31；當橫截面積為17.72 nm²時，一個側柱四個側柱納硅米結中粒子效應占比分別為0.28和0.39。該結果表明，納米結中阻礙聲子輸運的主要原因是波動性的局域共振雜化效應，但粒子性的散射作用占比依然較大，不容忽視。通過降低側柱高度，聲子的透射系數逐漸增加；但當側柱高度僅為一個原子層時，計算得到的聲子透射譜仍然與硅納米線存在一定差異，該結果也定性表明硅納米結中基于聲子粒子性的散射起著較大作用。

文獻鏈接：?https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2019.01.002?

該工作得到國家自然科學基金和日本MI2I、JST的支持。

通訊作者簡介

華中科技大學能源學院楊諾教授致力于納米尺度導熱和調控基礎即聲子工程方向的研究。共發表學術論文55篇（第一/通訊作者SCI 39篇和EI 2篇）；至2019年2月，SCIE他引1212次（第一/通訊作者1003次）。H指數21，4篇ESI高被引論文。第一/通訊作者發表在高影響力雜志Nano Today (R)、Nano Lett. (6篇)、Phys.?Rev.?B (Rapid Comm.)、JMCA熱點文章、Mat. Today Phys.、Small、Nanoscale 2篇封底文章、Renew. Sust. Energ. Rev.、Appl. Ener.和Int. J. Heat. Mass Tran.?(3篇)。

2012年受美國物理聯合會雜志AIP Advances邀請撰寫納米結構熱輸運的綜述性文章，該篇文章被評為2010-2014年間出版的中國作者的高引用文章第一名，他也被評為熱點人物（下圖）。

圖 AIP Advances熱點人物。

他獲得獎勵和人才計劃包括：

• 2016日本學術振興會訪問學者（全球申請者約1/3獲取）
• 2017年湖北省自然科學基金杰出青年項目
• 2015湖北省教育廳,“楚天學者”特聘教授（當年共36人）
• 2013上海科學技術委員會“浦江人才計劃”
• 2009教育部“國家優秀自費留學生獎學金”
• PHNONONS 2018 & PTES 2018 國際聲子學聯合會議最佳海報獎
• 2016美國機械工程師學會ASME微納尺度傳熱傳質學術會議最佳海報獎

受邀在國際學術會議做Keynote報告1次，國內學術會議主題報告1次。主持國家自然科學基金的情況為：青年項目、面上項目和國際合作與交流項目各一項。擔任ES?Mater.&Manuf.和Ther.?Sci. Eng.雜志Associate Editor。此外，編寫專業著作《納米材料熱傳導》第三章“一維材料熱傳導”，科學出版社，2017年,書號：9787030511379和《Chalcogenide semiconductors : from 3D to 2D and beyond》第二章“硫化物傳熱性質”和第三章“硫化物熱電轉換”，愛思唯爾（Elsevier）出版社，2019年。

東京大學機械工程系Junichiro Shiomi教授，2004年于瑞典皇家理工學院取得博士學位。他領導的Thermal Energy Engineering實驗室的主要研究方向為基于微納結構的熱管理、廢熱回收和能量收集，在國內外學術高影響力學術期刊Nature?Materials、Science?Advance、Physical?Review?X、Physical?Review?Letters、ACS central science、Nano?letters等發表了大量學術論文。他主持了核心科學技術發展（JST-CREST）、面向未來科學技術的前期研究（JST-PRESTO）和新能源技術發展組織（NEDO）等項目。他為日本機械工程協會會員，Applied Physics Express、Japanese Journal of Applied Physics和Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers等雜志副主編，獲得過Zeldovich Medal from the Committee on Space Research?榮譽獎章，年輕科學家獎，日本教育、文化、體育和科技部的科學技術獎以及日本傳熱協會的學術獎章。

本文由華中科技大學楊諾教授團隊供稿。

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