Noval Si-C Compounds with High Thermal Conductivity under TPa in Planetary Interior
碳化硅具有优异的物理性能，例如高稳定性、导热性和机械强度。它已广泛应用于大功率器件、催化、材料加工等领域，在基础学科研究中具有重要意义。我们使用晶体结构搜索和第一性原理计算预测了四种稳定在3 TPa以内的新碳化硅结构。在2.6TPa以上，Pnma（SiC）取代B1（SiC），在2.5TPa后，新组分Si 3C 2变得最稳定。高压下的P4/mbm相Si_3C_2具有电极特性。碳化硅结构在研究压力范围内是金属性的，电子贡献了大部分热导率，这对类碳化硅类地行星的热演化具有重要意义。另外，我们提出了一个新的碳化硅行星模型，并计算了在TPa下Si 3C 2的声速。因此，我们的研究加深了对碳化硅类地行星内部结构和热演化的认识，探索了复杂的碳化硅相空间，丰富了碳化硅相图。
2022-12-07 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other physics.comp-ph
Influence of Mutual Drag of Light and Heavy Holes on conductivity of p-Silicon and p-Germanium
本文考虑了p型Si和p型Ge的电导率，并考虑了轻重空穴间的相互拖曳。结果表明，在中小温度下，这种拖曳力使轻空穴的漂移速度明显减小，从而使晶体的总电导率减小。在这里考虑拖曳效应出现，以及在非单调的形式电导率对温度和载流子密度的依赖。
2010-11-22 cond-mat.mtrl-sci
Ab initio estimate of temperature dependence of electrical conductivity in a model amorphous material: hydrogenated amorphous silicon
我们提出了一个从头计算的直流电导率的非晶硅和氢化非晶硅。Kubo-Greenwood公式被用来获得直流电导率，通过热平均超过扩展的动态模拟。它的应用无序固体进行了讨论。电导率计算了一个很宽的温度范围内，掺杂是探索在一个天真的方式，通过移动费米能级。我们观察到了Meyer-Neldel电导率规则，其中E_MNR = 0.06 eV，a-Si：H的电阻温度系数为电阻温度系数TCR ~ -2.0% K^-1。在一般情况下，实验趋势再现这些计算，这表明在其他无序系统的载流子输运建模的方法可能的效用。
2007-06-03 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
Thermal conductivity of strained silicon: molecular dynamics insight and kinetic theory approach
在这项工作中，我们研究了拉伸和压缩力对硅的热导率的影响。我们采用平衡分子动力学方法计算了不同原子间相互作用势下的热导率。更具体地说，我们测试了Stillinger-Weber，Tersoff，环境依赖的原子间势和改进的嵌入原子方法势，用于描述不同应变和温度条件下的硅原子运动。此外，我们从分子动力学模拟中提取了声子态密度和色散曲线。这些数据用于考虑动力学理论方法的导热系数的直接计算。比较分子动力学和动力学理论模拟结果作为应变和温度的函数，使我们能够研究影响应变硅热导率的不同因素。
2019-08-01 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
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
Quantum-corrected thickness-dependent thermal conductivity in amorphous silicon predicted by machine-learning molecular dynamics simulations
非晶硅（a-Si）是一种重要的热管理材料，也是研究强无序材料热输运的理想场所。在很宽的温度和样品尺寸范围内理论预测a-Si的热导率仍然是一个挑战。在这里，我们提出了一个系统的研究a-Si的热输运性质，采用大规模的分子动力学（MD）模拟与准确和有效的机器学习神经进化潜力（NEP）训练对丰富的参考数据计算在量子力学密度泛函理论水平。NEP的高效率使我们能够非常详细地研究有限尺寸和淬火速率对a-Si形成的影响。我们发现，它需要一个模拟细胞$64,000$原子（立方细胞的线性尺寸为11 nm）和淬火速率下降到$10^{11}$ K s $^{-1}$完全收敛的热导率。结构性质，包括短程和中程秩序的特点是对关联函数，角分布函数，配位数，环统计和结构因子进行了研究，以证明NEP的准确性，并进一步评估淬灭率的作用。利用非均相和均相非平衡分子动力学方法以及相关的谱分解技术，计算了a-Si的热导率随温度和厚度的变化，结果表明，从10 K到室温，它们与已有的实验结果吻合得很好。我们的结果也突出了量子效应在计算热导率中的重要性，并支持了基于光谱热导率的量子校正方法。
2023-01-09 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Normal and anti Meyer-Neldel rule in conductivity of highly crystallized undoped microcrystalline silicon films
研究了不同微结构的高度结晶的非掺杂氢化微晶硅薄膜的导电行为。暗电导率被认为是遵循迈耶Neldel规则（MNR）在某些薄膜和反MNR在其他的，这已被解释的基础上的变化，在薄膜的微观结构和相应的变化的有效态密度分布。用带尾输运和费米能级的统计位移解释了样品中MNR和反MNR的起源。本文讨论了微晶硅电输运行为中的MNR和反MNR现象，讨论了MNR和反MNR现象产生的基本物理基础以及这些关系的意义。
2007-08-08 cond-mat.mtrl-sci
Influence of the statistical shift of Fermi level on the conductivity behavior in microcrystalline silicon
研究了具有不同微结构的高度结晶的未掺杂氢化微晶硅薄膜的导电行为。暗电导率被认为是遵循迈耶Neldel规则（MNR）在一些电影和反MNR在其他人，取决于微观结构属性的细节和相应的变化的有效态密度分布。用带尾输运和费米能级的统计位移解释了样品中MNR和反MNR的起源。我们在文献报道的微晶硅材料的各种实验输运数据中提出了反MNR的证据，并将这些数据与我们的数据一起分析，以显示统计位移模型的一致性和物理可解释性。计算的MNR参数和其他重要的材料参数，从那里得到的是适用于宽的微结构范围的微晶硅系统。
2007-07-14 cond-mat.mtrl-sci
Extending Electrical Resistivity Measurements in Micro-scratching of Silicon to Determine Thermal Conductivity of the Metallic Phase Si-II
半导体的延性加工（DRM）提供了更高质量的加工表面。为了优化这一过程，需要了解压力下硅金属化的热动力学。这样的理解是不可能的，因为硅的金属相不容易通过直接测量进行热表征。在这种情况下，人们必须依赖于处理间接测量数据来推断加压硅的热输运性质的精确估计。这种可行的测量是电阻率，因为其在压痕期间的变化通常是压头下金属硅相Si-II形成的指示。因此，本文介绍了一种方法，通过该方法从实时进行的电阻率测量中提取硅的金属相的平均热导率，Si-II。该过程是基于将温度评估代码与电阻率测量相结合，从而允许提取作为温度函数的电导率。
2010-08-07 cond-mat.mtrl-sci
A Universal Gauge for Thermal Conductivity of Silicon Nanowires With Different Cross Sectional Geometries
利用分子动力学模拟研究了不同截面形状的硅纳米线的热导率。结果表明，导热系数随比表面积的增大而单调减小。更有趣的是，对于具有中等横截面积（大于20 nm^2）的硅纳米线，观察到热导率对SVR的简单通用线性依赖性，而与横截面几何形状无关。结果，在具有相同横截面积的不同形状的硅纳米线中，具有三角形截面的硅纳米线具有最低的热导率。本文的研究不仅为不同截面形状的导热系数提供了一种通用的测量方法，而且为通过几何形状调节导热系数提供了设计指导。
2011-11-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Thermal conductivity of free-standing silicon nanowire using Raman spectroscopy
低维体系，特别是纳米线，已经表现出优异的光学和电学性质。了解半导体纳米线的热性质对于它们在电子器件中的应用是非常重要的。在本研究中，独立的硅纳米线（NW）的热导率估计采用拉曼光谱。这种技术的优点是光源（激光）既可以用作加热源，也可以用作激发源。研究了自支撑硅纳米线的一阶喇曼峰位置随温度和激光功率的变化。通过对暴露硅NW吸收的有效激光功率的关键分析、详细的拉曼研究以及硅NW中纵向热分布的概念，估计直径为112 nm的独立硅NW的热导率为~53 W/m. K。
2020-02-26 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Ultralow Thermal Conductivity of Isotope-Doped Silicon Nanowires
采用分子动力学（MD）模拟方法研究了硅纳米线的热导率.研究发现，在室温下，同位素缺陷可以使硅纳米线的热导率呈指数下降。当掺杂50%的同位素原子时，热导率达到最小值，约为纯28Si NW的27%。同位素超晶格结构的硅纳米线的热导率明显依赖于超晶格的周期。在1.09 nm的临界周期处，热导率仅为纯Si NW值的25%。当超晶格周期小于这个临界长度时，观察到热导率的异常增强。用声子谱理论解释了超晶格结构硅纳米线的超低热导率。
2007-12-26 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
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
Influence of fractional composition of crystallite grains on the dark conductivity in fully crystallized undoped microcrystalline silicon
薄膜生长技术的改进需要了解氢化微晶硅薄膜的微结构和沉积参数与电学性能之间的相关性。我们的研究表明，在完全结晶的未掺杂的微晶硅薄膜中的组成晶粒的分数组合物是一个独特的微结构特征，定义了薄膜的微结构，并可以很好地相关的电输运性质以及。
2007-02-16 cond-mat.mtrl-sci
Anisotropic Thermal Conductivity of 4H and 6H Silicon Carbide Measured Using Time-Domain Thermoreflectance
碳化硅（SiC）是一种宽带隙（WBG）半导体材料，在大功率和高频电子领域具有广阔的应用前景。在其许多有用的特性中，高导热性是至关重要的。本文利用飞秒激光时域热反射（TDTR）技术测量了三种SiC样品：n型4 H-SiC（N掺杂1 × 10^19 cm-3）、非故意掺杂（UID）4 H-SiC和Si 6 H-SiC（V掺杂1 × 10^17 cm-3）在250 K ~ 450 K温度范围内的各向异性热导率。通过选择合适的激光光斑半径和调制频率，我们同时测量了SiC的平行于（k_r）和穿过六边形平面（k_z）的热导率。对于k_r和k_z，导热系数的大小顺序为：Si 4 H-SiC> n型4 H-SiC> Si 6 H-SiC。这项工作是理解WBG半导体热传输的重要基准。
2017-12-13 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
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
Low thermal conductivity of iron-silicon alloys at Earth core conditions with implications for the geodynamo
地核由铁（Fe）与轻元素合金组成，例如，硅（Si）。它的导热性对地球的热结构、演化和动力学有着至关重要的影响，因为它控制着维持地球历史上地球发电机所需的热量和成分来源的大小。在这里，我们直接测量固体Fe和Fe-Si合金的热导率高达144 GPa和3300 K。在132 GPa和3000 K下，15at%的Si合金化在Fe中显著地降低了其电导率约2倍。含有15at% Si的外芯的电导率约为20 W m-1 K-1，在类似的压力-温度条件下低于纯Fe。这表明，一个较低的最小热流，约3太瓦，通过核幔边界比以前预期的，因此更少的热能需要操作的地球发电机。我们的研究结果提供了内核年龄可能超过20亿年的关键限制。
2020-06-12 cond-mat.mtrl-sci
Machine learning potential for predicting thermal conductivity of θ-phase and amorphous Tantalum Nitride
本研究开发θ相和非晶TaN的深度势模型，通过分子动力学模拟预测其块体和纳米薄膜热导率，并与实验和理论结果对比，揭示差异机制，为电子热管理应用提供指导。
2025-08-05 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
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
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
Tunable Thermal Conductivity and Mechanical Properties of Metastable Silicon by Phase Engineering
本文提出利用相工程策略调控亚稳态硅的热导率与力学性质，发现不同硅相间热导率具有广泛可调性，Si-IV硬度和杨氏模量显著优于Si-III/XII混合物，且压力诱导缺陷会降低性能，为设计新型半导体提供可行途径。
2025-03-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Engineering the thermal conductivity along an individual silicon nanowire by selective helium ion irradiation
设计材料导热性的能力使我们能够控制热量的流动，并获得新的功能，如热整流，热开关和热隐身。虽然这可以通过在体积尺度上使用复合材料和超材料来实现，但在微米和纳米尺度上设计热导率更具挑战性。在这项工作中，我们表明，沿着一个单一的硅纳米线的局部热导率可以调整到一个理想的值（结晶和非晶极限之间），通过选择性的氦离子辐照具有良好的控制剂量的高空间分辨率。通过分子动力学模拟和定量声子-缺陷散射率分析来理解基本机制，其中热导率随剂量的行为归因于散射中心在较低剂量下的积累和聚集。超过阈值剂量，观察到晶体-非晶转变。
2017-05-19 cond-mat.mtrl-sci
Thermal conductivity tuning of scalable nanopatterned silicon membranes measured with a three-probe method
研究通过三探针法改进测量技术，实现对纳米图案化硅膜热导率的可控调节，展示了通过蚀刻孔洞实现热输运调控的方法，实验在30-350K范围内获得热导率降低五倍的成果。
2026-10-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Thermoelectric Energy Conversion: How Good Can Silicon Be?
缺乏热电效率和经济上有吸引力的材料是热电的挑战。硅可以是一种良好的热电材料，提供CMOS兼容性，无害性和成本降低，但它具有太高的热导率。基于薄膜横向结构的热转换器，利用限制效应来降低热导率，在deltaT= 30 K处的7 W/cm 2的高收获功率密度被建模。模拟结果表明，10 nm厚的硅比体硅的效率高10倍。
2016-05-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Lattice dynamics of disordered phases of silicon and spatially resolved computations of thermal conductivity
Ohio University（俄亥俄大学）；Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）；University of Connecticut（康涅狄格大学）
本文通过DFT质量势模拟非晶硅，发现其存在异常原子位置波动的简谐模式，并利用位点投影热导率揭示这些动力学决定热传输，推测此现象普遍存在于无序系统。
2026-10-08 cond-mat.mtrl-sci
Monte Carlo simulations for phonon transport in silicon nanomaterials
在纳米结构中，声子输运行为明显不同于体材料中的输运，使得可以实现具有超低热导率和增强的热电性能的材料。在包括分级尺寸的夹杂物和孔的纳米晶体材料中已经实现了低热导率。纳米多孔结构提供了一组有前途的材料性质和结构，其允许超低热导率，甚至低于非晶极限。在本文中，我们概述了一个半经典的蒙特卡罗程序的声子输运的研究，并提出了在纳米多孔和纳米晶硅的热导率的调查。采用不同的无序几何构型，研究孔隙和晶界对声子通量和热导率的影响，包括边界粗糙度，孔隙位置和孔径的影响。在恒定孔隙率下，通过与少量较大直径孔相比具有大量较小直径孔来最大化热导率降低。此外，我们表明，孔隙率有更大的影响比边界粗糙度的热导率。我们的模拟器验证了多个模拟和实验工作的原始硅通道和纳米多孔结构。
2019-02-28 cond-mat.mtrl-sci
Low temperature conduction behavior in highly crystallized undoped microcrystalline silicon thin films
研究了低温（300-15 K）下暗电导率的温度依赖性，并对表征良好的单相非掺杂微晶硅样品的宽微结构范围进行了研究。我们的研究揭示了两种不同的温度依赖性的薄膜具有不同的微观结构。暗电导率的T^（-0.5）依赖性支持相邻导电晶体之间的载流子隧穿，类似于为金属-绝缘体复合系统提出的双折射跳跃模型，在具有紧密堆积的大柱状晶粒和可忽略的密度赤字的完全结晶的微晶硅膜中观察到。在微晶硅薄膜中观察到暗电导率的T^（-0.25）依赖性，其支持在带隙中具有指数尾态分布的可变射程跳跃模型，所述微晶硅薄膜大多具有小晶粒、低聚集度和相对较高的密度亏损。微结构属性和电导率行为之间的相关性进行了讨论，通过分析的跳跃参数和材料特性的物理可解释性，通过应用不同的传输模型。
2007-07-13 cond-mat.mtrl-sci
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
Thermal transport enhancement of hybrid nanocomposites; impact of confined water inside nanoporous silicon
本文介绍了多孔硅和纳米杂化多孔硅/水体系的热输运性质。用平衡分子动力学方法研究了由球形孔洞或充水孔洞组成的多孔体系的导热系数。我们发现大的热导率增强的纳米混合系统相比，其干燥的多孔对应物，这不能被捕获的有效介质理论。这种热导率的上升与液/固界面比表面积的增加有关。我们证明了原始多孔硅和“多孔硅液体/复合物”的热导率的两倍以上的显著差异是由于接近“固/液界面”的液体密度波动（分层效应）。由于界面区域的高比表面积，这种效应变得更加重要。具体地，对于0.3（1/nm）的比表面积，有效热导率的增强为50%，并且随着表面积与体积比的增加，有效热导率进一步增加。我们的研究提供了有价值的见解混合液体/固体纳米复合材料的热性能和纳米多孔材料内的限制液体的重要性。
2020-12-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Size Disorder as a Descriptor for Predicting Reduced Thermal Conductivity in Medium- and High-Entropy Pyrochlores
高熵陶瓷一般表现出降低的热导率，但很少有人知道是什么控制这种抑制，哪种描述符可以预测it.In，18中，高熵pyrophores合成，以测量其热导率和杨氏模量。在保持模量的情况下，实现了高达35%的热导率降低，从而获得了潜在的热障涂层应用的绝缘性和刚性。值得注意的是，测得的热导率与修改的尺寸无序参数很好地相关。因此，这种修改后的尺寸无序参数建议作为一个有用的描述符设计绝热介质和高熵陶瓷（广义上定义为“复合陶瓷”）。
2019-12-26 cond-mat.mtrl-sci
Real-Space Mapping of Electronic Conductivity in Complex Materials
Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）；Ohio University（俄亥俄大学）
提出KuboMap方法，基于Kubo-Greenwood公式实现电导率的实空间表示，通过非负电导率密度揭示复杂材料中的传输路径，应用于铝、非晶硅和硅氧化物验证其有效性。
2026-06-25 cond-mat.mtrl-sci
Thermal Conductivity of Cubic Silicon Carbide Single Crystals Heavily Doped by Nitrogen
本研究测量了重氮掺杂3C-SiC单晶的热导率，发现掺杂浓度约1020 cm-3时热导率降低达30%，实验结果与理论预测存在差异，为半导体热管理和3C-SiC应用提供了重要依据。
2024-09-27 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
High Thermal Conductivity in Wafer Scale Cubic Silicon Carbide Crystals
高导热电子材料是高性能电子和光子器件的关键组成部分，无论是作为有源功能材料还是热管理材料。我们报告了一个各向同性的高热导率超过500 W m-1 K-1，在室温下，在高品质的晶圆级立方碳化硅（3C-SiC）晶体，这是第二高的大晶体（仅超过金刚石）。此外，发现相应的3C-SiC薄膜具有创纪录的高的面内和跨面热导率，甚至高于具有相同厚度的金刚石薄膜。我们的研究结果解决了一个长期存在的难题，即3C-SiC的热导率的文献值令人困惑地低于结构更复杂的6 H-SiC。进一步的分析表明，在这项工作中观察到的高热导率来自于3C-SiC晶体的高纯度和高晶体质量，这排除了3C-SiC中异常强烈的缺陷-声子散射。此外，通过集成3C-SiC与其他半导体外延生长，我们表明，测得的3C-SiC-Si TBC是最高的半导体接口。这些发现不仅提供了基本的声子输运机制的见解，也表明3C-SiC可能构成一个优秀的宽带隙半导体应用的电力电子作为有源元件或衬底。
2022-07-12 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Non-negligible Contributions to Thermal Conductivity From Localized Modes in Amorphous Silicon Dioxide
热导率是几乎所有涉及传热的应用的重要特性，从能源和微电子到食品加工和纺织品。晶体材料的理论和建模在某种意义上是一个已解决的问题，其中现在可以使用基于声子气体模型（PGM）[3，4]的表达式从第一原理[1，2]计算任何晶体线化合物的热导率。然而，无定形材料的建模仍然有许多悬而未决的问题，因为当人们不能严格定义声子速度时，PGM本身就变得可疑。因此，需要新的理论和方法来理解非晶材料中的声子输运。在这封信中，我们使用最近开发的Green-Kubo模态分析（GKMA）方法来研究无定形二氧化硅（a-SiO2）。预测的热导率表现出良好的协议与实验在所有温度和非谐效应包括在热导率计算的所有类型的模式在a-SiO2的第一次。以前，局域模（locon）被认为对热导率的贡献可以忽略不计，因为它们具有高度局域化的性质，在概念上应该阻止它们将能量转移到另一个位置。然而，在a-SiO2中，我们的研究结果表明，从400 K到800 K，locons对总热导率的贡献超过10%，并且它们是a-SiO2在室温以上热导率增加的主要原因。这是一种无法用以前的方法解释的效应，因此为非晶/玻璃质材料中声子输运的性质提供了新的见解。
2015-04-14 cond-mat.mtrl-sci
Spatially Local Estimates of the Thermal Conductivity of Materials
本文提出一种基于 Green-Kubo 公式的位置投影热导率方法，通过空间分解量化各位置热传导活动，并利用高质量模型分析了非晶硅等材料中降低热传输的“热缺陷”及其空间范围。
2025-06-11 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
On the interplay between electrical conductivity and Seebeck coefficient in ultra-narrow silicon nanowires
采用原子论电子结构和线性化Boltzmann输运理论，分析了低维对超窄Si纳米线电导率（σ）和Seebeck系数（S）的影响.我们表明，纳米线的几何特征（例如直径和取向）的变化主要以两种方式影响σ和S：i）带边与费米能级的距离（ηF）变化，以及ii）量子限制在某些情况下强烈影响有效子带的质量，从而影响纳米线和ηF的电导率。eta_F的变化引起σ的指数变化，而S的线性变化。与目前的观点相反，S似乎仅微弱地依赖于能带的曲率、散射机制的强度和DOS（E）函数的形状。结果表明，由于σ对ηF的敏感性更强，低维对σ的影响比对S的影响更大.我们确定的情况下，通过限制能带结构工程可以提高σ，而不会显着影响S，这可能会导致功率因数的改善。
2013-07-30 cond-mat.mtrl-sci
Predicting polarizabilities of silicon clusters using local chemical environments
用第一性原理方法计算大团簇的极化率具有挑战性，因为计算成本与团簇大小成比例关系是不利的。为了应对这一挑战，我们证明了包含数千个原子的大型氢化硅簇的极化率可以用机器学习方法有效地计算。具体来说，我们构建机器学习模型的基础上的原子位置（SOAP）描述符的平滑重叠和训练模型使用的数据库计算的随机相位近似极化率的集群包含多达110个硅原子。我们首先展示了机器学习模型拟合数据的能力，然后使用k折交叉验证评估它们预测簇极化率的能力。最后，我们研究了机器学习预测的集群太大，明确的第一性原理计算，并发现它们准确地描述了氢硅原子的比率的极化率的依赖关系，也预测了大量的限制，这是在良好的协议与以前的研究。
2021-08-25 cond-mat.mtrl-sci
Enhanced Thermoelectric Properties in a New Silicon Crystal Si24 with Intrinsic Nanoscale Porous Structure
热电器件是一种很有前途的新一代能源解决方案，因为它能够将废热转化为有用的电能，这可以在具有高电导率和低热导率的材料中实现。最近合成的硅同素异形体Si $_{24}$具有高度各向异性的晶体结构，具有纳米尺寸的规则孔。在这里，基于第一性原理研究，没有任何经验参数，我们表明，轻微掺杂的硅$_{24}$可以提供一个数量级的增强热电优值在室温下，相比，立方金刚石相的硅。我们将这种增强归因于纳米孔阵列形成的固有纳米结构，它有效地阻碍了热传导，同时保持了导电性。这可以是增强热电品质因数而不进一步形成非本征纳米结构的可行选择。此外，我们提出了一个实用的策略，以进一步减少导热性，而不影响导电性，通过限制在孔隙中的喋喋不休的客体原子。
2018-06-08 cond-mat.mtrl-sci
Predicting electrical conductivity in Cu/Nb composites: a combined model-experiment study
高磁场的产生需要具有高导电性和良好强度特性的材料。Cu/Nb复合材料被认为是用于此目的的良好候选者。在这项工作中，我们的目标是预测，从理论上，导电性的微观结构，最显着的层厚度和晶粒尺寸的依赖。我们还进行了实验来校准和验证我们的模拟。双金属界面和晶界被证实有最大的影响，在这种复合材料的导电性。在这种方法中，考虑层厚度的分布，以便更好地模拟实验观察到的微观结构。由于低于Cu的平均自由程的层厚度显著降低了导电性，因此可能需要大于预期的平均层厚度来满足导电性要求，以便最小化分布中的这些较小的层。我们还研究了Nb的体积分数和温度的变化对材料的导电性的影响。
2022-06-14 cond-mat.mtrl-sci
Violation of Fourier's Law and Anomalous Heat Diffusion in Silicon
利用非平衡分子动力学对硅纳米线中的热传导和热扩散进行了系统的研究。结果表明，SiNW的热导率随长度的增加而变化，当长度达到1，100 nm时，热导率也随长度的增加而变化，且热导率随长度的增加而增加的原因是反常的热扩散现象.我们的研究结果提供了强有力的证据，傅立叶定律的热传导是无效的低维纳米结构。
2010-02-18 cond-mat.mtrl-sci
Predicting electrical conductivity in bi-metal composites
本文从理论上推广了Cu/Nb双金属复合材料电导率预测方法，研究电导率与微观结构及低电导率组分体积分数的关系，并结合强度数据为高场磁体筛选Cu/Ag、Cu/W等新型候选材料。
2024-10-15 cond-mat.mtrl-sci
Thermal properties of nanocrystalline silicon nanobeams
在纳米尺度下控制热能传递在许多应用和热性质中已经变得至关重要，因为它常常限制器件性能。在这项工作中，我们研究的影响所产生的纳米级结构的独立的纳米晶硅薄膜和增加的表面体积比时，制造成悬浮的光机械纳米梁的热导率。我们表征了不同晶粒尺寸的结构中的热传输，并阐明了晶粒尺寸和几何尺寸对热导率的相对影响。我们使用微时域热反射法研究的晶粒尺寸分布的影响，从10到400 nm，在独立的纳米晶硅薄膜的热导率考虑表面声子和晶界散射。我们发现热导率急剧下降，下降到10 W.m^{-1}.K^{-1}或更低，这只是单晶硅电导率的一小部分。减小晶粒尺寸进一步降低导热率。我们还观察到，这种效果是较小的OM纳米结构比在膜由于在降低热导率的表面散射的竞争。最后，我们介绍了一种新的多功能非接触式表征技术，可以适应于任何结构支持的热位移光共振，并使用它来评估的热导率。这种方法可以用于与光学共振表现出不同的模式配置文件和数据示出同意定量与热反射测量。这项工作开辟了一条道路，以一个更普遍的热表征的光机械腔，并创建热点与工程形状在所需的位置在结构中作为一种手段，研究耦合光子-声子结构中的热输运。
2021-06-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Exceptional Thermoelectric Power Factors in Hyperdoped, Fully Dehydrogenated Nanocrystalline Silicon Thin Films
众所周知，单晶硅由于其高导热性而成为较差的热电材料。大多数优秀的研究都集中在如何降低其导热性，同时保持可接受的大功率因数（PF）。相反，在提高多晶硅和纳米晶硅中的PF方面花费的努力较少。在这里，我们表明，在硼超掺杂纳米晶薄膜PF可以增加到33 mW K $^{-2}$ m $^{-1}$在300 K时，在沉积过程中嵌入在膜中的氢被删除。该结果使得纳米晶Si成为Bi $_2$ Te $_3$用于低温热量收集的现实竞争者，这也是由于其更大的地理可用性和更低的成本。
2022-01-02 cond-mat.mtrl-sci
Effects of thermal annealing on thermal conductivity of LPCVD silicon carbide thin films
该研究测量不同厚度与退火条件下的 LPCVD 碳化硅薄膜，结合 FTIR、XRD 和密度表征，揭示退火通过增大晶粒、降低孔隙率使近室温热导率提升 34%。
2023-06-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Characteristics of room temperature bipolar photoconductance in 150 GHz probe transients obtained from normal and irradiated silicon illuminated by 532 nm laser
在p-型非简并（中等掺杂浓度）硅晶片中观察到一个负扭结的过剩电导率时，出现在暗电导电压的完全正衰减后，由一个非常窄的脉冲532 nm激光激发。大部分的硅样品是原始的，其中3个分别用γ，质子和氯离子束辐照。使用时间分辨毫米波电导率仪（TRmmWC）检查这些瞬态，射频（RF）电压响应（激光截止后）始终显示正峰值，标称衰减至零，随后为负扭结。这种负光电导（NPC）扭结在正光电导（PPC）完全衰减后立即发展，通常持续约36 us。我们提出了一些数据，从一组正常的（原始掺杂硅）晶片和γ-和离子束照射的硅（与母原始样品响应比较）的一般特性，以建立可能的新的链接，可能使估计引入硅中的缺陷参数。
2021-09-27 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Quantitatively Predicting Modal Thermal Conductivity of Nanocrystalline Si by full band Monte Carlo simulations
纳米晶硅的热输运特性对热电材料的应用具有重要意义。更好地理解纳米晶硅的模态热导率将有助于提高热电效率。本文采用全频声子色散的减方差蒙特卡罗模拟研究了纳米晶硅的模式热导率。重要的是，声子模式传输通过晶界的非晶Si界面模拟计算的模式分辨原子格林函数方法。在很宽的晶粒尺寸范围内，预测的纳米晶硅的热导率与体硅的热导率之比与实验测量值吻合得很好。当晶粒尺寸从550 nm减小到10 nm时，纳米晶Si的热导率从54%减小到3%，平均自由程大于晶粒尺寸的声子的贡献从30%增加到96%.研究表明，基于模式分辨原子格林函数方法的声子模式传输的全带蒙特卡罗模拟可以捕捉到复杂纳米结构中的声子输运图像，从而为设计高性能硅基热电器件提供指导。
2021-08-05 cond-mat.mtrl-sci
Effects of hydrogen pressure on hydrogenated amorphous silicon thin films prepared by low-temperature reactive pulsed laser deposition
我们采用反应脉冲激光沉积法在120 ℃的低温下，在0-20 Pa的不同氢压范围内沉积了本征氢化非晶硅（a-Si：H）薄膜，并研究了薄膜的氢掺入、结构、光学和电学性质随环境氢压的变化。膜厚随氢压的增加而线性减小。薄膜的氢含量由红外光谱和光学带隙由UV-Vis-NIR透射率和反射率测量确定。电测量产生的暗电导率的膜。薄膜的氢浓度在10^21-10^22 cm^（-3）范围内，并随氢压的增加而增加，直到后者达到15 Pa，超过该值，氢浓度降低。薄膜的光学带隙和暗电导率随氢浓度的变化而变化。暗电导率在10^（-9）-10 ^（-10）S/cm范围内。观察到2.2-2.6 eV的异常宽的光学带隙。
2017-04-13 cond-mat.mtrl-sci
Ultrafast dynamic conductivity and scattering rate saturation of photoexcited charge carriers in silicon investigated with a midinfrared continuum probe
我们采用超宽带太赫兹-中红外探测脉冲来表征高电阻率硅中反射几何结构的光致电荷载流子等离子体的光学响应，在室温下，在宽范围的激发密度（10^{15}-10 19} cm^{-3}）。与传统的太赫兹光谱研究相比，这使得人们能够直接覆盖包含所得等离子体频率的频率范围。的热化等离子体的强度反射光谱，测量使用和频（上转换）探测的探针脉冲，可以很好地模拟由一个标准的德鲁德模型与密度相关的动量散射时间约。200 fs在低密度，达到约。20 fs，密度约为10^{19} cm^{-3}，其中散射率的增加饱和。这种行为可以很好地再现与理论结果的基础上的广义Drude方法的电子-空穴散射率，其中的饱和发生由于相空间的限制，等离子体变得退化。我们还研究了初始亚皮秒时间的德鲁德响应的发展，并讨论了所观察到的上升的散射时间的初始电荷载流子弛豫，以及光激发的样品的光学响应预测的时域有限差分模拟。
2015-02-10 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
Phonon-confinement theory of thermal conductivity in ultrathin silicon films
University of Milan（米兰大学）
本文提出声子限制理论，揭示超薄硅薄膜热导率随厚度变化的极小值现象，并通过理论预测和分子模拟验证，为调控材料热导率提供新方法。
2025-12-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Unusually High and Anisotropic Thermal Conductivity in Amorphous Silicon Nanostructures
非晶Si（a-Si）纳米结构在许多电子和光电子器件中普遍存在。非晶材料被认为具有热导率（k）的下限，其对于a-Si为~ lW/m-K。然而，最近的工作表明，微厚a-Si膜的k可以大于3 W/m-K，这是由传播的振动模式（称为“传播子”）贡献的。然而，a-Si中k的精确测定一直难以实现。在这里，我们使用了a-Si纳米管和悬浮a-Si膜的新结构，使精确的面内k测量在5 nm至1.7 μ m的宽厚度范围内。我们在a-Si纳米结构中显示出出乎意料的高平面k，在100 nm和1.7 μ m处分别达到~3.0和5.3 W/m-K。此外，在平面k中测量的显著高于相同膜上的交叉平面k。在无定形Si纳米结构中的这种通常高的和各向异性的k表现出令人惊讶的宽的宣传平均自由程分布，发现其在无序和原子各向同性结构中的范围从10 nm到10 μ m。这一结果提供了一个明确的答案，一个世纪的问题，关于传播的平均自由程分布，也揭示了许多a-Si为基础的电子和光电子器件的设计和性能。
2016-12-31 cond-mat.mtrl-sci
