Anomalous Phonon Renormalization in Single Crystal of Silicon
本文用喇曼散射法测定了硅单晶一阶声子模的温度依赖性。我们的研究揭示了低温（~ 50 K）下拉曼活性声子模的反常红移，这归因于Si在低温区的反常膨胀。硅在低于120 K时显示出负的热膨胀，然而，在非常低的温度下也观察到奇怪的行为，即，在40 K以下检测到Si晶体的软化。Si的这种特殊行为可以用低温下观察到的反常声子非谐性来描述。
2020-01-23 cond-mat.mtrl-sci
Phonon-assisted Auger-Meitner Recombination in Silicon from First Principles
本文提出第一性原理方法研究硅中直接和声子辅助俄格-迈特纳复合，发现声子辅助贡献主导n型和p型硅的复合速率，并揭示应变工程可调控该速率。
2023-08-30 cond-mat.mtrl-sci
Modulation of Thermal Conductivity in Kinked Silicon Nanowires: Phonon Interchanging and Pinching Effects
我们进行分子动力学模拟，以研究在硅纳米线的扭结的热导率的降低。在室温下还原率可高达70%。还计算了还原的温度依赖性。通过计算声子极化矢量，发现两种机制是导致热导率降低的原因：（1）纵向声子模和横向声子模之间的相互作用;（2）扭曲和横向声子模的箍缩效应，即一种新的局域化机制.我们的工作表明，声子互换和箍缩效应，诱导扭结，是全新的和有效的方式在调制的纳米线的热传递，这使得扭结硅纳米线是一个有前途的候选热电材料。
2013-03-22 cond-mat.mtrl-sci
Significant reduction of lattice thermal conductivity by electron-phonon interaction in silicon with high carrier concentrations: a first-principles study
电子-声子相互作用对金属和半导体中的电子输运产生了很大的阻碍作用，但对电子-声子相互作用对声子输运的影响，特别是对半导体中声子输运的影响研究较少。我们计算的声子寿命由于散射与电子（或空穴），将它们与本征寿命由于非谐声子-声子相互作用，所有从第一性原理，并评估电子-声子相互作用对硅的晶格热导率的影响。出乎意料的是，我们发现当载流子浓度超过1 e19 cm-3时，室温下的晶格热导率显著降低（在p型硅中，在1 e21 cm-3左右降低高达45%），这是与热电材料具有很大技术相关性的范围。
2014-09-03 cond-mat.mtrl-sci
Phonon Spin Selective One-Way Axial Phonon Transport in Chiral Nanohelix
该研究提出利用声子自旋角动量作为额外自由度，通过圆偏振光场光子自旋与声子自旋的转化，在手性碳纳米管中实现近100%整流率的单向声子输运，为自旋声子学发展开辟了新路径。
2025-10-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Electron spin-phonon interaction symmetries and tunable spin relaxation in silicon and germanium
与直接带隙半导体相比，硅和锗的谷简并为自旋弛豫开辟了新的通道，抵消了反转对称系统的自旋简并。在这里，硅和锗的电子-声子相互作用的对称性被确定，并计算由此产生的自旋寿命。室温下硅中电子的自旋寿命与砷化镓中的相当，但是，硅或锗中的自旋寿命可以通过应变或量子限制降低谷简并来调节。可调范围被限制为略超过一个数量级的intravalley过程。
2012-01-07 cond-mat.mtrl-sci
Phonon-assisted optical absorption in silicon from first principles
完全从第一性原理出发，在准粒子水平上计算了硅的声子辅助带间光吸收谱。我们利用Wannier插值形式主义，以确定准粒子的能量，以及光学跃迁和电子-声子耦合矩阵元，在细网格的布里渊区。计算的光谱附近的间接吸收的发病是在一个温度范围内的实验测量非常好的协议。此外，我们的方法可以准确地确定硅在可见光范围内的光吸收光谱，这是光电和光伏应用的一个重要过程，不能用简单的模型来解决。计算形式是相当普遍的，可以用来理解一般的声子辅助吸收过程。
2012-02-15 cond-mat.mtrl-sci
Analysis of phonon-induced spin relaxation processes in silicon
我们研究了由于电子-声子相互作用导致的硅中\textit{conduction}电子自旋弛豫的所有前导级贡献。利用群论、$k\cdot p$微扰方法和刚性离子模型，我们导出了多谷导带中所有重要自旋翻转跃迁的矩阵元表达式。散射角与电子的波矢、声子极化、谷位置和自旋取向有明显的关系，并与经验赝势和绝热带荷模型的结果进行了比较，结果表明，两者吻合得很好。
2012-06-22 cond-mat.mtrl-sci
Attosecond-resolved coherent control of zone-folded acoustic phonons in silicon carbide
本文利用飞秒脉冲相干激发4H-SiC中6 THz区域折叠声学声子，以300阿秒精度实现振幅相干控制，并通过双能级脉冲受激拉曼模型给出非共振条件下的解析控制方案。
2025-11-11 cond-mat.mtrl-sci
Coherent soft-mode phonon generation and detection in ultrathin SrTiO3 grown directly on silicon
在室温下对直接生长在Si上的SrTiO 3薄膜进行了时间分辨双色泵浦-探测偏振光谱研究，薄膜厚度从2 nm到7.8 nm。具有0.2太赫兹的特征频率的E软模脉冲产生和测量在这些相干应变的四相SrTiO 3薄膜。另一个过阻尼信号表明，双势阱之间的Ti离子可能弛豫跳跃。相干声子信号对泵浦和探测激光偏振的依赖性有助于识别声子模式。
2010-10-17 cond-mat.mtrl-sci
Optical lineshapes of the C-center in silicon from ab initio calculations: Interplay of localized modes and bulk phonons
本研究通过构建含数万个原子的超胞动力学矩阵的DFT方法，计算硅中CiOi缺陷的光学线形，揭示局域模与体声子的共同作用，验证了C线的缺陷归属且与实验吻合良好。
2024-10-30 cond-mat.mtrl-sci
Phonons in the beta-tin, Imma, and sh phases of Silicon from ab initio calculations
我们提出了一个新的解释测量拉曼频率的高压结构的硅，这是以前分配给β-锡相。我们的结果表明，在发现Imma相之前的实验中已经发现了β-tin->Imma->sh相变。我们用平面波赝势方法和密度泛函理论以及局域密度近似下的密度泛函微扰理论计算了硅的β-tin、Imma和sh相的声子色散曲线。通过新的分配，计算的声子频率与实验数据吻合得很好，并可用于精确确定Imma->beta-tin相变的相变压力. sh->Imma转变伴随着软模。
2005-02-09 cond-mat.mtrl-sci
Stronger femtosecond excitation causes slower electron-phonon coupling in silicon
该研究利用超快电子衍射技术测量硅中电子-声子衰减率，发现载流子密度越高，电子弛豫越慢，表明热电子气抑制散射，低载流子密度下硅超快电路性能更优。
2025-02-26 cond-mat.mtrl-sci
Phonon Confinement in Stressed Silicon Nanocluster
利用拉曼光谱研究了离子束注入法合成的蓝宝石中硅纳米团簇中的声子和声子。使用复频率模型分析了在低拉曼位移下发现的l = 0和l = 2受限声学声子，并估计纳米颗粒的尺寸为4和6 nm。对于受限的光学声子，与预期的红移相反，拉曼线形状显示出显著的蓝移，这归因于纳米颗粒中的尺寸依赖的压缩应力。应力纳米颗粒的计算拉曼线形状与数据拟合良好。利用复频率模型得到的Si纳米颗粒的尺寸与由受限光学声子线形状拟合估计的尺寸以及由X射线衍射和TEM发现的尺寸一致。
2008-09-09 cond-mat.mtrl-sci
The role of low-energy phonons with mean-free-paths >0.8 um in heat conduction in silicon
尽管最近在第一性原理计算和声子平均自由程（MFP）的测量方面取得了进展，但低能声子对硅中热传导的贡献仍然是不确定的，不同的第一性原理计算之间的差异就说明了这一点。在这里，我们研究了低能声子与MFP>0.8 μ m的贡献，通过精确测量的跨平面热导率的晶体硅薄膜的时域热反射（TDTR），在很宽的范围内的膜厚1-10 μ m和温度100-300 K。我们采用双频TDTR方法来提高我们的跨平面热导率测量的准确性。我们从我们的跨平面热导率测量中发现，MFP>0.8 μ m的声子在300 K时对Si中的热传导贡献53 W/m-K（37%），而MFP>3 μ m的声子在100 K时对Si中的热传导贡献523 W/m-K（61%），比Lindsay等人的第一原理预测值68 W/m-K（47%）和695 W/m-K（77%）分别低20%以上。使用弛豫时间近似（RTA）模型，我们证明了宏观阻尼（例如，Akhieser阻尼）消除了300 K时平均自由程>30 μ m的声子的贡献，根据Lindsay等人的研究，其对Si中热传导的贡献为15 W/m-K（10%）。因此，我们建议忽略第一-第二声子中低能声子的宏观阻尼。原理计算可能是我们的测量和Lindsay等人的计算之间观察到的差异的可能解释之一。为今后晶体硅中声子平均自由程分布的测量和计算提供了重要的基准。
2015-11-16 cond-mat.mtrl-sci
A nuclear quantum effect with pure anharmonicity and the anomalous thermal expansion of silicon
尽管硅在现代技术中被广泛使用，但其特有的热膨胀还没有得到很好的理解。将谐波声子适应于温度下的比容，即准谐波近似，已被接受用于模拟热膨胀，但对微观机制给出了模糊的解释。为了测试原子机制，我们进行了非弹性中子散射实验，从100- 1500 K的硅单晶，以测量声子频率的变化。我们的国家的最先进的从头计算，充分考虑声子非谐性和核量子效应，再现了测量的个别声子随温度的变化，而准谐波位移大多是错误的符号。令人惊讶的是，被接受的准谐波模型被发现预测的热膨胀，由于一个偶然的取消的贡献，从个别声子。
2018-02-07 cond-mat.mtrl-sci
First-Principles Simulation of Electron Mean-Free-Path Spectra and Thermoelectric Properties in Silicon
载能体的平均自由程（MFP）对于更好的热电材料的纳米工程至关重要。尽管近年来在基于第一性原理的声子MFP的光谱分布的理解方面取得了重大进展，但电子MFP的光谱分布仍然不清楚。在这项工作中，我们从第一性原理计算了硅中与能量相关的电子散射和多功能谱图。相对于电子MFP的电导率积累相比，声子热导率积累，以说明纳米结构对电子和声子传输的定量影响。通过结合所有的电子和声子输运性质的第一原理，我们预测的体硅和纳米结构的硅的热电性能，并发现，硅与20 nm的纳米晶粒可以导致超过5倍的增强其热电优值的晶界散射声子更显着比电子，由于其不同的MFP分布。
2015-02-04 cond-mat.mtrl-sci
Anisotropic heat conduction in silicon nanowire network revealed by Raman scattering
各向异性纳米材料具有有趣的热传输特性，因为它们允许热通量沿优先方向取向，这是由于它们的面内和跨面热导率之间的高比率（高达三个数量级）。在允许热导率评估的不同技术中，微拉曼散射被认为是最有效的非接触式测量方法之一。在这封信中，一个新的实验方法的基础上拉曼散射测量可变激光光斑尺寸的报告。实验和计算的一维纳米晶体固体的热阻之间的相关性允许同时估计其在平面和跨平面的热导率。特别是，我们的测量方法被成功地应用于硅纳米线阵列的各向异性热导率评估。
2017-01-06 cond-mat.mtrl-sci
Strain effect in silicon-on-insulator materials: Investigation with optical phonons
我们报告了一个详细的实验和理论研究的残余应变的影响，应变弛豫，这体现在商业绝缘体上硅（SOI）晶片的Si/SiO $_{2}$接口。SOI材料由位于处理硅晶片上的绝缘体（埋入的SiO $_{2}$层）顶部的单晶硅覆盖层（SOL）制成。红外反射率谱表明，随着溶胶的减薄，SiO $_{2}$埋层不断弛豫。与此同时，溶胶表面粗糙度和Si/SiO $_2$界面附近的Si中光学声子的线宽（通过显微拉曼光谱探测）增加。在交付的晶片中，这是由于硅在埋入的SiO $_{2}$层两侧的轻微膨胀，相反，硅被压缩。变薄的SOL修改这些初始平衡条件。为了得到定量的结果，我们已经模拟了我们所有的拉曼光谱使用的光学声子的非均匀位移和加宽的理论，它考虑到声子与静态应变波动的相互作用。从线宽与界面距离的变化，我们已经发现，均方应变继续放松，通过几个$μm$的顺序上的深度在大部分的晶片。我们还表明，SOL表面粗糙度是有关的Si/SiO $_2$接口附近的应变波动。
2000-09-29 cond-mat.mtrl-sci
Ultralow thermal conductivity of single crystalline porous silicon nanowires
多孔材料提供了大的表面体积比，从而提供了一个旋钮，以前所未有的方式改变基本属性。在热输运中，多孔纳米材料不仅可以通过增强声子从孔的边界散射从而减小声子平均自由程，而且可以通过降低声子群速度来降低热导率。在这里，我们建立了一个结构-性能的关系，通过测量的孔隙率和热导率的个别化学蚀刻单晶硅纳米线，使用一种新的电子束加热技术。这种多孔硅纳米线表现出极低的扩散热导率（对于43%的孔隙率，在300 K下低至0.33Wm-1 K-1），甚至低于非晶硅的扩散热导率。这种超低热导率的起源被理解为声子群速度的降低，通过测量杨氏模量以及晶体硅中有史以来报道的最小结构尺寸（小于5 nm）进行了实验验证。分子动力学模拟支持硅纳米线的热导率作为孔隙率的函数的急剧降低的观察。这种多孔材料提供了一个有趣的平台来调整声子输运，这可以在电子和纳米机电系统的功能材料的设计中是有用的。
2017-07-21 cond-mat.mtrl-sci
Thermoelectric phonon glass electron crystal via ion beam patterning of silicon
离子束辐照是近年来功能材料设计的一种新方法。在这项工作中，我们表明，图案化的缺陷区域产生的离子束照射硅可以创建一个声子玻璃电子晶体（PGEC），热电的一个长期的目标。通过控制缺陷区域的有效直径和缺陷区域之间的间距，分子动力学模拟表明可以实现导热率降低$\approx$ 20倍。玻尔兹曼理论表明，热电功率因数在受损材料中基本上保持不变。为了方便玻尔兹曼理论，我们推导出一个解析模型的电子散射与圆柱形缺陷区域的基础上分波分析。我们一起预测，在室温下，这些硅超材料的最佳图案化几何形状的ZT $\approx$ 0.5或更高的品质因数。这些研究结果表明，纳米结构的图案化缺陷区域的晶体材料是一个可行的方法来实现PGEC，离子束照射可能是一个有前途的制造策略。
2017-10-10 cond-mat.mtrl-sci
Native surface oxide turns alloyed silicon membranes into nanophononic metamaterials with ultra-low thermal conductivity
在纳米尺度上详细了解微观结构和声子传播之间的关系对于设计具有所需声子和热性能的材料是必不可少的。在这里，我们揭示了表面氧化膜中声子相互作用的新机制，即，天然氧化物层通过局部共振与超薄硅膜中的声子相互作用。局域共振降低了低频声子群速度，缩短了它们的平均自由程，这一效应为超低热导率设计开辟了一条新的途径，因为它补充了散射机制，有效地散射了高频模式。天然氧化层和与浓度低至5%的锗合金化的组合将硅膜的热导率降低至比本体低100倍。此外，由原生氧化物表面层产生的共振机制对于热介电性降低特别有效，即使在非常低的温度下也是如此，在该温度下仅填充低频模式。
2017-05-09 cond-mat.mtrl-sci
Deep-learning atomistic semi-empirical pseudopotential model for nanomaterials
University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）；Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）；Tel Aviv University（特拉维夫大学）
本文提出了一种基于深度学习的原子半经验伪势模型，用于高精度模拟半导体纳米材料的电子结构和光电性质。
2025-12-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
The Vacancy Effect on Thermal Interface Resistance between Aluminum and Silicon by Molecular Dynamics
跨界面的热输运是微电子学、光子学和热电器件的重要问题，并且在过去已经在实验和理论上进行了研究。采用非平衡分子动力学（NEMD）方法计算了含纳米级空位的铝硅界面热阻（1/G）。计算中考虑了声子-声子耦合和电子-声子耦合。结果表明，空位的存在大大增加了界面热阻。研究和比较了空位的大小和类型的影响。不同类型/尺寸空位的结构，其性能有明显的差异。
2015-01-27 cond-mat.mtrl-sci
Phonon thermal transport in 2H, 4H and 6H silicon carbide from first principles
碳化硅（SiC）是一种宽带隙半导体，具有多种工业应用。其许多有用的特性之一是其高导热性，这使其有利于热管理应用。在本文中，我们提出了\textit{ab initio}计算的平面内和跨平面的热导率，$κ_{\text{in}}$和$κ_{\text{out}}$，三个常见的六方多型体的SiC：2 H，4 H和6 H。声子玻尔兹曼输运方程迭代求解作为输入的密度泛函理论确定的原子间力常数。在$n$ H SiC中，由于附加的低位光学声子分支，$κ_{\text{in}}$和$κ_{\text{out}}$都随着$n$的增加而减小。这些光学分支的特征在于低的声子群速度，并且它们增加了声学模式的声子-声子散射的相空间。此外，对于所有的$n$，$κ_{\text{in}}$被发现是大于$κ_{\text{out}}$在考虑的温度范围。在实验样品中存在的电子浓度下，电子对声子的散射被证明是可以忽略不计的，除了远低于室温时，它可以导致晶格热导率的显着降低。这项工作突出了权力的\textit{ab initio}的方法，在材料中的热传输的定量，预测性的描述。它有助于解释不同的热导率测量数据集之间存在的定性差异，并提供了测量数据所获得的样品的相对质量的信息。
2017-05-24 cond-mat.mtrl-sci
Localized Phonon Densities of States at Grain Boundaries in Silicon
由于现在可以在电子显微镜中记录纳米尺度的振动光谱，因此探索诸如位错或晶界的缺陷是否会导致光谱的可测量的变化是有意义的。计算了硅中一组大角度晶界的声子态密度。由于这些边界是由多达160个原子的超晶胞模拟的，因此通过对来自分子动力学模拟的速度-速度自相关函数进行傅立叶变换来计算态密度，所述分子动力学模拟基于在每个方向上加倍的新超晶胞。在选择的情况下，通过与使用密度泛函理论计算的动力学矩阵对角化获得的态密度进行比较，在具有较少原子的原始超原胞上检查结果。在晶界的核心附近的光学声子峰的高度在60毫电子伏的状态密度被抑制相对于由于声学声子的功能，在很大程度上是不变的，相对于它们的体积值。这可以归因于晶界核心区域中键长范围内的键强度变化。这也意味着晶界固有的态密度的变化不太可能影响环境温度下的热导率，这很可能是由声学声子的散射主导的。
2021-08-16 cond-mat.mtrl-sci
Phonon decay in silicon nanocrystals
计算了Si纳米晶体中光学声子衰减为两个能量较小的声子的过程。该过程的速率在1至10 ps的范围内。这种非简谐声子衰减可以控制Si/SiO $_2$纳米晶体中受激载流子的能量弛豫速率。声子衰变的实验观察到的热载流子光致发光的相关性进行了讨论。
2013-04-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Strain Effects on Auger-Meitner Recombination in Silicon
本研究利用第一性原理计算发现，双轴应变对硅中俄歇-迈特纳复合速率有非平凡影响，特别是拉伸应变将涉及两空穴一电子的复合速率抑制38%，从而增加p型硅少数电子载流子寿命，可用于提升硅器件效率。
2023-12-15 cond-mat.mtrl-sci
Deep Learning Inter-atomic Potential for Thermal and Phonon Behaviour of Silicon Carbide with Quantum Accuracy
碳化硅（SiC）是下一代半导体和核电站组件的重要材料。它的应用在很大程度上取决于它的热导率，而热导率对微观结构高度敏感。分子动力学（MD）模拟是研究纳米级器件或微结构中热输运机制的常用方法。然而，由于缺乏精确的原子间相互作用势，MD在SiC中的应用受到限制。在这项工作中，使用深势（DP）的方法，我们开发了两个原子间的潜力（DP-IAPs）的SiC的基础上两个自适应生成的数据集内的密度泛函近似在局部密度和广义梯度水平。这两个DP-IAP表现出他们的速度与量子精度在晶格动力学模拟以及声子输运的散射率分析。结合分子动力学模拟，系统地研究了其热输运和力学性能。所提出的方法和原子间的潜力铺平了道路的一个系统的方法来模拟SiC相关器件的热传输使用多尺度建模。
2021-10-21 cond-mat.mtrl-sci
Peak thermoelectric power factor of holey silicon films
纳米结构硅的热电性能还没有完全理解，尽管他们最初的承诺。虽然极低的热导率吸引了大量的工作，纳米结构对功率因数的影响大多没有引起注意。虽然最初的报告没有发现任何显着的变化，功率因数相比，散装，随后的详细测量p型硅纳米线显示了一个鲜明的减少塞贝克系数相比，类似的掺杂散装。减少是一致的声子阻力贡献的消失，由于声子边界散射。在这里，我们报告测量不同的纳米结构，多孔硅薄膜，测试是否可以观察到类似的声子阻力损失。通过设计实验，在同一样品上测量所有属性，我们表明，虽然这些薄膜具有接近的导电性，在散装在可比的掺杂，他们表现出相当小的热电势。这些数据与声子阻力的损失是一致的。在120 - 230 nm之间的颈部距离，在最佳掺杂的功率因数是$\sim$体的50%。这些见解是有用的，在实际设计的未来热电器件的基础上纳米结构硅。
2020-10-03 cond-mat.mtrl-sci
Thermal evolution of silicon carbide electronic bands
特别是，直接观察半导体在宽温度范围内的各个能带的温度依赖性并不简单。然而，这个基本性质是理解半导体的电子-声子耦合的先决条件。本文将\emph{ab initio}多体微扰理论应用于六角碳化硅（SiC）晶体上的电子-声子耦合，并确定了能带的温度依赖性。我们发现在0~K的带隙中存在一个显著的电子-声子重整化。导带和价带都在高温下发生位移，表现出不同的行为。我们将我们的理论结果与观察到的SiC能带边缘的热演化进行了比较，并根据高温SiC电子学和缺陷量子比特操作讨论了我们的发现。
2019-12-18 cond-mat.mtrl-sci
Anisotropic In-Plane Phonon Transport in Ultrathin Silicon Membranes Guided by Nano-Surface-Resonators
在二维材料中，声子沿不同晶格方向的各向异性输运已经被观察到，然而，当厚度超过几个原子层时，这种效应随着厚度的增加而减弱。在这里，我们建立了一个新的机制，诱导各向同性对称准二维材料中的各向异性声子输运。声子的传播是由表面纳米结构的共振杂化引导的。我们证明了3 nm厚的硅膜与表面纳米鳍的热导率是由$\sim50\%$平行于鳍比垂直于鳍。
2019-10-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Highly Stable Silicon Anodes Enabled by Sub-10 nm Pores and Particles
本研究提出一种低温等离子体自下而上工艺，利用亚10纳米硅颗粒组装成微孔超结构，解决硅负极体积膨胀和锂库存损失，实现高振实密度，并在无预锂化下400次循环保持约80%容量。
2025-04-21 cond-mat.mtrl-sci
Equation of State, Stability, Anisotropy and Nonlinear Elasticity of Diamond-Cubic (ZB) Silicon by Phonon Imaging at High Pressure
金刚石砧盒中的实验声子成像被证明是一个足够的工具，以提取完整的一套弹性常数的单晶硅的ZB $\rightarrow β-$ Sn转变（10 GPa）。与通常所承认的相反，我们证明了应变能量密度的发展不能停止，对于硅，在包含三阶弹性常数的条款。非线性弹性，各向异性和压力引起的力学稳定性的立方硅结构的程度，从而重新审视和研究更详细。
2010-07-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Boundary conditions dictate frequency dependence of thermal conductivity in silicon
本研究通过 Al/Si 与 Al/SiO$_2$/Si 的对比实验揭示，界面结构和温度通过调控声子散射及热非平衡，决定硅热导率是否表现出频率依赖性。
2024-12-03 cond-mat.mtrl-sci
Achieving Minimal Heat Conductivity by Ballistic Confinement in Phononic Metalattices
控制半导体的热导率在优化热电和声子器件的性能方面具有实际意义。在半导体中插入纳米尺寸的夹杂物是实现这种控制的有效手段;已经提出，使用这种方法可以将硅的热导率降低到1 W/m/K，并且对于夹杂物的某些最佳尺寸，热导率将达到最小值。然而，这一设计规则的实际验证是有限的。在这项工作中，我们解决这个问题，通过研究硅金属晶格的热性能，包括一个周期性分布的球形夹杂物的半径从7到30 nm，嵌入到硅。实验测量证实，硅金属晶格的热导率对于二氧化硅夹杂物低至1 W/m/K，并且对于具有空孔的硅金属晶格，该值可以进一步降低至0.16 W/m/K。弹道声子输运的一个详细的模型表明，这种热导率接近于通过调整周期性不均匀性的半径和间距所能达到的最低值。这项研究是阐明硅和其他半导体纳米级弹道热传输的标度定律的重要一步。
2020-04-30 cond-mat.mtrl-sci
Ubiquitous topological states of phonons in solids: Silicon as a model material
声子拓扑物理的研究引起了人们的极大兴趣，但需要适当的模型材料。我们的{ \it ab initio}计算确定硅作为一个理想的候选材料含有非常丰富的拓扑声子态。在硅中，我们确定各种拓扑节线保护的滑动镜或镜对称性和特征在于量化的Berry相$π$，这使得鼓面表面状态观察到的任何表面取向。值得注意的是，发现了一种新型的拓扑连结声子，其特征在于具有双费米弧状表面态，并且与Weyl声子不同，它既不需要反转也不需要时间反演对称性破缺。从联结声子可以产生多种拓扑态，如通过应变产生的霍普夫节链。此外，我们将对称性分析推广到其他中心对称系统，并找到了许多候选材料，证明了拓扑声子在固体中的普遍存在。这些发现为研究现实材料中的拓扑声子及其对表面物理的影响开辟了新的机会。
2021-05-29 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Mode-resolved logarithmic quasiballistic heat transport in thin silicon layers: Semianalytic and Boltzmann transport analysis
Chosun College of Science & Technology（朝鲜科学技术大学）
研究揭示了薄硅层中热传输的谱分辨对数准准 ballistic 特征，通过半解析与玻尔兹曼模型分析，阐明了声子模式在热响应中的作用。
2026-01-09 cond-mat.mtrl-sci
Thermal Interface Conductance between Aluminum and Silicon by Molecular Dynamics Simulations
采用非平衡分子动力学方法模拟了Al/Si界面热导。在模拟中，电子和声子之间的耦合被认为是通过使用一个随机力。结果表明，界面热导的尺寸依赖性和电子-声子耦合的界面热导的影响。为了理解界面阻力的机理，计算了振动功率谱。我们发现，界面附近的原子能级无序是界面声子输运的一个重要方面，它导致界面附近的声子态的修改。在那里，界面附近的振动光谱与体相有很大的不同。振动光谱的这种变化影响了AMM和DMM理论预测的结果，并表明新的物理涉及声子跨界面输运。保留字：
2014-01-22 cond-mat.mtrl-sci
Revisiting the Mechanisms of Thermal Transport in Vacancy-Defective Silicon
本文利用维格纳输运方程研究含空位缺陷硅的热传导，发现空位不仅缩短声子寿命，还通过削弱速度算符主导热导率下降，且非谐性效应会随空位浓度增加由抑制转为增强热导率，挑战了传统声子气体图像。
2025-06-03 cond-mat.mtrl-sci
Irregular Oscillatory-Patterns in the Early-Time Region of Coherent Phonon Generation in Silicon
从理论上研究了非掺杂Si晶体中相干声子（CP）的产生，揭示了超短激光脉冲辐照后早期的量子力学效应。一个检查归因于离子核的感应电荷密度的时间信号，将焦点放在拉比频率$Ω_{0cv}$对信号的影响上;该频率对应于脉冲的峰值电场。结果表明，在特定的$Ω_{0cv}$ s下，当光激发载流子引起的等离子体激元能量与光-光声子能量一致时，两个模之间的能量{ \it共振}相互作用导致了显著的反交叉，从而揭示了在观测到的时间信号中振幅异常增强的不规则振荡。此外，振荡图案受到受$Ω_{0cv}$控制的受激载流子密度的拉比跳跃。这些研究结果表明，早期的时间区域是丰富的CP生成中固有的量子力学效应，虽然实验信号或多或少掩盖了所谓的相干伪影，由于非线性光学效应。
2017-05-20 cond-mat.mtrl-sci
Spectroscopic Signatures of Electron-Phonon Coupling in Silicon-Vacancy Centers in Diamond
金刚石中的空位中心已被证明是量子相干光电子应用的可行的固态平台。在众多的空位中心中，硅空位（SiV）中心作为一种不太受电子-声子相互作用影响的反转对称系统最近引起了人们的广泛关注。尽管如此，声子介导的过程仍然降低了SiV中心的相干特性，然而，由于其微弱的光谱特征，表征它们的电子-声子耦合是极具挑战性的，并且仍然是一个开放的实验问题。在本文中，我们从理论上研究了电子-声子耦合的签名在模拟的线性和非线性光谱的SiV中心。我们演示了如何即使是非常弱的电子-声子相互作用，如在SiV中心，可以完全通过非线性光谱技术的特点，甚至解决不同的精细结构之间的过渡。
2020-03-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Erbium-doped WS$_2$ with Down- and Up-Conversion Photoluminescence Integrated on Silicon for Heterojunction Infrared Photodetection
本研究利用稀土元素掺杂策略合成2D WS$_2$:Er纳米片，实现可见至近红外上转换与下转换发光，并构建室温WS$_2$:Er/Si异质结红外光电探测器，有效抑制暗电流，为2D材料异质结红外探测奠定基础。
2023-09-08 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Thermoelectric prospects of nanomaterials with spin-orbit surface bands
传统热电材料如Bi、Bi（1-x）Sb（x）和Bi（2）Te（3）的纳米结构复合材料和纳米线阵列具有金属Rashba表面自旋轨道带，其特征在于高迁移率，可与已经提出的拓扑绝缘体行为相媲美。近纯表面电子输运已被观察到在低温下在Bi纳米线的直径约为临界直径，50 nm，半金属到半导体的过渡。表面对热电势有很大贡献，实际上在这些纳米线中温度T < 100 K时占主导地位。表面热电势为-1 T微伏/（K^2），这个值与理论相符。我们表明，表面电子输运与边界声子散射导致增强的热电性能在低温下的Bi纳米线阵列。我们与体n-BiSb合金，优化CsBi（4）Te（6）和优化Bi（2）Te（3）进行了比较。在其他传统热电材料中，可以预期表面主导的电子输运。
2011-08-16 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Diffusive Phonons in Nongray Nanostructures
纳米结构半导体材料由于其抑制声子输运同时保持电性能的潜力而成为热电材料的有希望的候选者。模拟复杂几何结构中的声子边界散射对于预测具有高转换效率的材料至关重要。然而，同时存在的弹道和扩散声子的挑战的发展模型，是准确的和计算上容易处理的。利用最近发展的第一性原理玻尔兹曼输运方程（BTE）方法，我们研究了具有宽平均自由程（MFP）分布的纳米材料中的扩散声子。首先，我们推导出短MFP限制的抑制功能，表明它不一定恢复标准扩散运输预测的值，挑战以前的假设。其次，我们确定了一个罗宾型边界条件描述扩散表面内傅立叶定律，扩展的有效性扩散传热的克努森数。最后，我们使用这个结果开发一个混合傅立叶/BTE方法来模拟现实的材料，获得良好的协议与实验。这些结果提供了对实验范围内的材料中的热传输的见解，并为大规模筛选纳米结构热电材料提供了机会。
2017-09-28 cond-mat.mtrl-sci
Ab initio studies on the lattice thermal conductivity of silicon clathrate frameworks II and VIII
采用从头算晶格动力学和线性化Boltzmann输运方程（BTE）的声子迭代解，研究了硅笼形结构II和VIII的晶格热导率.在100-350 K的温度范围内，发现笼形结构II和VIII具有比硅金刚石结构（d-Si）低1/2和1/5的晶格热导率值。笼形结构II的晶格热导率较低的主要原因相比，d-Si被发现是谐波声子谱，而在笼形结构VIII的情况下，差异主要是由于谐波声子谱，部分是由于声子的弛豫时间较短。在所研究的笼形结构中，非谐效应对晶格热导率的影响大于晶胞尺寸。对于结构II，预测的晶格热导率与先前在室温下多晶样品获得的实验结果相差约20倍。
2016-01-14 cond-mat.mtrl-sci
Direct Calculation of Modal Contributions to Thermal Conductivity via Green-Kubo Modal Analysis: Crystalline and Amorphous Silicon
在这封信中，我们推导出一种新的方法，直接计算的模式的热导率的贡献，这是所谓的格林-久保模态分析（GKMA）。GKMA方法将晶格动力学形式主义与用于热导率的Green-Kubo公式相结合，使得热导率成为模式贡献的直接总和，其中不需要定义声子速度。因此，GKMA方法可以应用于任何材料/原子组，其中原子在稳定的平衡位置周围振动，这不仅包括结晶线化合物，而且还包括随机合金，非晶材料甚至分子。GKMA方法为声子输运的性质提供了新的见解，因为它将问题转化为模式-模式相关而不是散射，并提供了一种通用的统一形式主义，可用于理解基本上任何类型的材料或结构中的声子-声子相互作用，其中原子在稳定的平衡点周围振动。
2015-03-27 cond-mat.mtrl-sci
Spectroscopy and transport of nonpolarons in silicon and germanium: the influence of doping and temperature
该研究通过第一性原理和累积量展开方法，揭示了硅和锗中非极化子的光谱特征及掺杂和温度的影响，并解释了锗迁移率高于硅的原因。
2025-09-12 cond-mat.mtrl-sci
Role of Dimensionality and Size in Controlloing the Drag Seebeck Coefficient of Doped Silicon Nanostructures: A Fundamental Understanding
本文通过理论计算研究了维度、尺寸和热输运方向对掺杂硅纳米结构声子拖曳塞贝克系数的影响，揭示了自旋-轨道耦合对空穴输运的关键作用，并证实100 nm硅纳米结构中仍存在部分声子拖曳贡献。
2023-07-27 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Evidence for terahertz acoustic phonon parametric oscillator based on acousto-optic degenerate four-wave mixing in silicon doping superlattice
首次报道了太赫兹（THz）激光泵浦硅掺杂超晶格（DSL）中声光相位共轭简并四波（D4WM）混频产生的1.0 THz自启动无镜声学声子参量振荡器（MAPPO）。DSL是通过分子束外延生长在（100）硼掺杂的硅衬底上。利用超导NbTiN亚波长光栅将THz激光辐射耦合到DSL中。超导颗粒铝的热辐射探测，再加上Si：B压电声子光谱，揭示了太赫兹相干压缩波和剪切波的激发，仅沿<111>方向。验证了分布反馈的布拉格散射条件和D4WM过程的能量守恒要求。太赫兹MAPPO可以为非经典声学声子场的研究提供一个实验平台。
2019-01-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Ultrafast asymmetric Rosen-Zener-like coherent phonon responses observed in silicon
我们研究了非掺杂硅晶体中相干声子产生的时间信号的光谱轮廓。本文采用作者[Y. Watanabe等人，Phys. Rev. B 95，014301（2017）;同上，96，125204（2017）]。的光谱不对称性揭示在频域的信号的条件下，LO声子模式保持几乎大力共振与等离子体激元模式在早期的时间区域，这持续约100 fs后立即照射的超短泵浦激光脉冲。应当理解，基于绝热时间图，这种不对称性是由两种模式之间的Rosen-Zener耦合引起的。通过测量随时间变化的电光反射率信号，得到了相关的实验结果，并证明了这些与计算结果是一致的。随着光激发载流子密度从满足上述条件的载流子密度进一步向载流子密度的较高侧和较低侧变化，光谱变得更加对称。此外，对CP信号的载流子密度的光章动的效果进行了解决，目前的结果进行了比较，由瞬态Fano共振所造成的不对称性，并在文中的GaAs晶体中观察到的光谱轮廓。
2018-08-27 cond-mat.mtrl-sci
Phonon-Assisted Photoluminescence and Ultrafast Exciton Dynamics in Two-Dimensional Silicon Carbide
Indian Institute of Technology Kharagpur（印度理工学院卡拉格普尔分校）；Indian Institute of Information Technology Allahabad（印度信息技术的安拉阿巴德研究所）
研究通过全自洽的多体微扰理论分析二维六方硅碳的声子辅助发射和激子动力学，发现高能光学TO LO声子主导侧带形成，并揭示了单层SiC在宽禁带二维半导体中的高效声子辅助发光平台。
2026-07-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Acoustic and Optical Phonon Frequencies and Acoustic Phonon Velocities in Silicon-Doped Aluminum Nitride Thin Films
University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；California NanoSystems Institute, University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校加利福尼亚纳米系统研究所）；Arizona State University（亚利桑那州立大学）；Auburn University（奥本大学）
研究硅掺杂铝氮化物薄膜中声学与光学声子频率及声学声子速度，通过布拉格-曼德尔施塔姆和拉曼光散射谱学测量声学与光学声子频率，揭示掺杂硅对薄膜应变和位错密度的影响，优化超宽禁带半导体异质结及高功率器件热阻。
2024-08-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Topological phonons in an inhomogeneously strained silicon-1: Evidence of long-distance spin transport and unidirectional magnetoresistance of phonons
非均匀介质中的横向声波类似于电磁波，并且由于非均匀性导致的动量空间中的Berry规范势而表现出拓扑行为。由于声子频率和色散将是沿应变梯度方向的局部应变的函数，因此可以使用在半导体薄膜（硅）中施加的应变梯度来产生非均匀（或梯度）介质。因此，可以在半导体薄膜中设计拓扑声子介导的自旋和热输运。在这里，我们提出了一个长距离（100 μ m）自旋运输的独立的Si薄膜样品下施加的应变梯度，使用横向自旋能斯特效应测量的证据。自旋长距离输运归因于声子在非均匀介质中的拓扑自旋霍尔效应。使用声子的单向磁阻的非互易响应的系数的大小在室温下是一样大的BiTeBr在低温下报告的非均匀介质进行了验证。拓扑声子也表现出拓扑能斯特效应。这些工作不仅加深了人们对非均匀系统的理解，而且为拓扑学和自旋声子学奠定了基础。
2021-10-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
