Single-channel or multi-channel thermal transport? Effect of higher-order anharmonic corrections on the predicted phonon thermal transport properties of semiconductors
通过考虑高阶四声子散射、声子重整化和多通道热输运，研究了8种三元金属间化合物半导体的声子热输运性质.常用的最低阶理论，只考虑三声子散射，没有声子重整化，彻底失败的考虑材料和低估的热导率高达2倍。三种化合物的热导率降低，五种化合物的热导率增加，由于四声子散射和声子硬化对预测的热导率的对比作用的高阶修正的应用。使用高阶理论，在300 K的温度下，BiCsK 2和其他三种化合物（SbCsK 2，SbRbNa 2和SbRbK 2）的最低热导率为0.31 W/m-K，通过颗粒状声子输运通道具有低于0.5 W/m-K的热导率。在所有这些超低热导率化合物中，来自波状相干输运通道的贡献低于0.05W/m-K。高阶理论是正确描述热输运物理的必要条件，而低阶理论则将热输运错误地描述为多通道输运。
2022-02-26 cond-mat.mtrl-sci
Anomalous thermal transport in metallic transition-metal nitrides originated from strong electron-phonon interactions
金属过渡金属氮化物（TMN）是一种具有广泛应用前景的导电陶瓷，其热输运特性在器件设计中具有重要意义。研究发现，金属TiN和HfN具有不同于普通金属和非金属TMN的反常热输运行为。它们具有非常大的固有声子热导率，主要是由于大的声光声子频率间隙。考虑声子-同位素散射和声子-电子散射后，声子热导率降低了两个数量级，同时也导致了声子热导率的非平凡的温度无关行为. TiN和HfN中均存在嵌套费米面，这导致了强烈的电子-声子耦合，严重损害了声子和电子的输运。声子成分在总热导率中所占的比例异常大，在300 K时TiN为29%，HfN为26%。薄膜的结果也表明，声子热导率可以有效地限制尺寸。我们的研究结果提供了对金属TMN中的热传输的深入理解，并扩展了金属热传导理论的范围。
2020-06-28 cond-mat.mtrl-sci
Impact of Electron-Phonon Interaction on Thermal Transport: A Review
对固体热传导的微观图像的透彻理解对于从微电子的热管理到更高效的热电材料的广泛应用至关重要。声子是半导体和绝缘体中主要的微观热载体，其输运性质，特别是其散射机制，一直是微尺度热传导研究的中心课题。在过去的二十年里，在计算和实验上已经取得了显着的进展，探测声子声子，声子杂质，声子边界散射通道的细节。相比之下，电子-声子散射长期以来被认为对大多数材料在环境条件下的热输运的影响可以忽略不计。本文综述了第一性原理计算和实验方法的最新进展，这些方法显示了电子-声子相互作用对各种技术相关固态材料中声子输运的强烈影响的明确证据。在热平衡条件下，电子-声子相互作用可以修改总的声子散射率和重整化的声子频率，分别由声子自能的虚部和实部确定。在非平衡输运条件下，电子-声子相互作用可以通过“声子或电子拖曳”机制以及界面热输运来影响体中电子和声子的耦合输运。基于这些最新的结果，我们评估了潜在的使用电子-声子相互作用来控制固体中的热输运。我们还提供了一个展望计算和实验发展的未来方向。
2021-02-03 cond-mat.mtrl-sci
A Phonon Boltzmann Study of Microscale Thermal Transport in $α$-RDX Cook-Off
$α$ RDX的微尺度热输运性质被认为是引发过程中的主要因素。在这项研究中，我们提出了一个彻底的检查声子性质占主导地位的能量存储和传输在$α$ RDX。确定了所有声子分支的声子寿命，揭示了声子模式之间能量转移的特征时间尺度。声子参数也作为输入到一个完整的布里渊区三维声子输运模拟中的热点的存在。除了确定声子模式的贡献，热输运，和N-N键断裂是不可分割的离解，我们确定声子模式对应于大N-N键拉伸分析的方式，这些模式存储和转移能量。
2018-10-03 cond-mat.mtrl-sci
A comprehensive first-principles analysis of phonon thermal conductivity and electron-phonon coupling in different metals
分离电子和声子热导率分量对于理解金属中的原理热传输机制是必要的，并且在许多应用中是非常期望的。在这项工作中，我们预测了18种不同的金属在室温下的模式依赖的电子和声子的热导率从第一性原理。我们的第一性原理预测，在一般情况下，同意与实验数据。我们发现声子热导率在2 - 18 $W/mK$之间，占总热导率的1% - 40%.研究还发现，由于声子群速度高，过渡金属和过渡金属间化合物（TIC）中的声子热导率与贵金属相比是不可忽略的。此外，过渡金属和金属间化合物中的声子热导率的电声耦合效应比贵金属的强，这是由于它们具有较大的电子-声子耦合常数，费米窗口内的电子态密度较高，声子频率较高。贵金属具有比过渡金属和TiC更高的电子热导率，这主要是由于贵金属中弱的电子-声子耦合。过渡金属和过渡金属间化合物的洛伦兹比与索末菲值$L_0=2.44 \times 10^{-8} W ΩK^{-2}$的偏差较大。我们还发现声子的平均自由程（10 nm以内）比电子的平均自由程（5 - 25 nm）小。电导率和电子热导率与电子的微扰函数密切相关。
2019-07-02 cond-mat.mtrl-sci
Revisiting phonon thermal transport in two-dimensional gallium nitride: higher-order phonon-phonon and phonon-electron scattering
本研究针对二维氮化镓热导率计算的差异问题，发现有限差分法中四阶原子间力常数易高估四声子散射影响，明确四声子散射使热导率降65.6%，且高载流子浓度下声子-电子相互作用对其热导率影响可忽略。
2024-03-10 cond-mat.mtrl-sci
Four-phonon scattering diminishes the optical phonon contribution and isotope effect to thermal conductivity of III-V semiconductors
最近的研究表明，四声子散射在确定固体的热导率方面通常是重要的。然而，这些研究一直集中在材料的热导率$κ$是占主导地位的声学声子，和四声子散射的影响，虽然显着的，仍然是一般小于三声子散射。在这项工作中，以AlSb为例，我们证明了四声子散射是更关键的三声子散射，因为它减少了光学声子的热输运，因此显着降低材料的热导率，其中光学分支具有长的三声子寿命。同时，我们的计算表明，四声子散射可以在削弱$κ$的同位素效应方面发挥极其重要的作用。具体地说，四声子散射减少了70 $\%$和50 $\%$，分别同位素纯和自然发生的AlSb的室温$κ$。同位素纯的和天然存在的c-GaN的还原分别为约34 $\%$和27 $\%$。对于同位素纯的w-GaN，室温下的还原约为13 $\%$，400 K下的还原约为25 $\%$。这些结果为实验工作者在III-V族化合物中实现高热导率以应用于半导体工业提供了重要的指导。
2019-08-15 cond-mat.mtrl-sci
Phonon hydrodynamics and ultrahigh-room-temperature thermal conductivity in thin graphite
碳的同素异形体，如金刚石和石墨烯，是最好的热导体。我们监测薄石墨的热导率的演变作为温度和厚度的函数，并发现高电导率，厚度和声子流体力学之间的密切联系。8.5微米厚的石墨在室温下的面内热导率为4300瓦/米-开尔文--这个值远高于金刚石，略高于同位素纯化的石墨烯。升温增强了在很宽的温度范围内的热扩散率，支持部分流体动力学声子流。我们观察到的热导率的增强与厚度的减小指向声子的面外动量和动量弛豫碰撞的分数之间的相关性。我们认为，这是由于极端的声子色散各向异性石墨。
2020-01-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Interplay between electron-phonon couplings and disorder strength on the transport properties of organic semiconductors
在极化栅控有机半导体模型中，研究了体电子-声子耦合和界面电子-声子耦合对输运性质的综合影响。虽然体电子-声子相互作用影响的行为的流动性在室温以下的相干制度，界面耦合是占主导地位的激活高$T$贡献的本地化极化子。为了改善对输运性质的描述，除了电子-声子耦合之外，还需要无序的存在。在实验相关窗口$150 K<T<300 K$中，弱无序的影响大大提高了迁移率的激活能，并在较低的电子-声子耦合值下诱导小极化子的形成。结合红荧烯有机场效应晶体管的实验数据对结果进行了讨论。
2011-09-28 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.str-el
Topological effects of phonons in GaN and AlxGa1-xN: A potential perspective for tuning phonon transport
半导体纳米结构中热输运的调节对于信息和电力电子的热管理具有重要意义。拓扑声子表面态具有优良的输运特性，如弹道输运、对点缺陷和无序的免疫性以及禁戒背散射等，在解决这一问题方面显示出巨大的潜力。在这里，拓扑声子分析六方纤锌矿GAN进行检查声子的拓扑特性。和相同家族的其它氮化物，即，AlN和AlGaN合金，也从拓扑声子相变的角度进行了计算。借助第一性原理计算和拓扑声子理论，我们研究了所有这些材料的Weyl声子态，即无背散射的表面态。结果表明，GAN中不存在非平凡的拓扑声子态。然而，通过引入Al原子，即，在纤锌矿型AlN和AlGaN中，发现了不止一个Weyl声子点，这一点被明显的拓扑特征所证实，包括非零整数拓扑电荷、Berry曲率分布中的源/汇、表面局域态密度和表面弧。由于AlN和AlGaN是AlGaN/GAN异质结电子器件中的典型材料，它们中拓扑声子态的存在将通过促进无背散射的单向界面声子输运的设计而有利于热管理。
2021-01-10 cond-mat.mtrl-sci
Ferroelectricity-driven phonon Berry curvature and non-linear phonon Hall transports
Berry曲率（BC）控制着物质的拓扑相，并产生异常输运。当外加磁场时，声子可以通过自旋-晶格耦合间接地获得BC，导致线性声子霍尔效应。在这里，我们表明，极性晶格畸变直接耦合到一个声子BC偶极子，这将导致一个可切换的非线性声子霍尔效应。在SnS单层中，面内铁电性诱导声子BC并导致非易失性BC记忆效应的声子版本。作为一种新型的铁电-声子耦合，声子Rashba效应在倾斜Weyl声子模中产生并打开质量隙，导致大的声子BC偶极。此外，我们的从头算非平衡分子动力学模拟表明，非线性声子霍尔输运发生在一个可控的方式通过铁电开关。铁电性驱动的声子BC和相应的非线性声子输运为构造拓扑声子输运/存储器件提供了一种新的方案。
2022-11-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Material Characteristics Governing In-Plane Phonon-Polariton Thermal Conductance
本研究探究声子-极化子面内热导的材料依赖性，发现其变化幅度超一个数量级，超薄层下与声子热导相近，并提出由光学声子参数构成的品质因数解释热导差异的来源。
2023-10-04 cond-mat.mtrl-sci
The Role of Thermalizing and Non-thermalizing Walls in Phonon Heat Conduction along Thin Films
声子边界散射通常使用Fuchs-Sondheimer理论来处理，该理论假设声子被热化到边界处的局部温度。然而，这种热化过程是否真的发生及其对热输运的影响仍然不清楚。在这里，我们研究沿薄膜与热化和非热化壁的热输运通过求解光谱玻尔兹曼输运方程（BTE）的稳态和瞬态输运。我们发现，在稳态下，热输运是由Fuchs-Sondheimer理论，是不敏感的边界是否热化或不。相反，在瞬态条件下，热化壁和非热化壁的热衰减速率显著不同。我们还表明，瞬态运输，热化边界条件是非物理的，由于违反边界处的热流守恒。我们的研究结果提供了深入了解边界散射过程中的热声子在一个范围内的加热长度尺度是有用的解释热测量纳米结构。
2015-11-10 cond-mat.mtrl-sci
Electron Transport and Hot Phonons in Carbon Nanotubes
我们证明了声子占据在限制金属碳纳米管中的高场弹道输运中的关键作用。特别是，我们提供了一个简单的分析公式的电子输运散射长度，我们验证了准确的第一性原理计算（6，6）和（11，11）纳米管。通过与实验I-V曲线拟合的散射长度的比较，表明存在由电子输运引起的非平衡光学声子加热。我们预测光学声子的有效温度为数千开尔文。
2005-12-19 cond-mat.mtrl-sci
Room-temperature Magnetic Thermal Switching by Suppressing Phonon-Magnon Scattering
University of California, Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）；University of Notre Dame（圣母大学）
研究通过抑制声子-磁子散射，在室温下实现 gadolinium 的热导率调控，揭示了铁磁材料中磁子散射对热导率的关键作用，为磁控热开关材料提供新思路。
2024-01-11 cond-mat.mtrl-sci
First-principles phonon calculations for lattice dynamics, thermal expansion and lattice thermal conductivity of CoSi at high temperature region
本研究利用第一性原理声子理论计算了CoSi在高温区的实验热膨胀（$α(T)$）和晶格热导率（$κ_{L}$）。采用有限位移法和超原胞法计算了声子色散。$α(T)$的计算是在准调和近似下进行的。$κ_{L}$是在单模弛豫时间近似下用第一性原理非谐晶格动力学计算得到的。在温度范围$0-1300$ K内计算的$α(T)$与现有的实验数据有很好的匹配。在300 K时，计算得到的$κ_{L}$（$\sim$ 8.0 W/m-K）与实验值$\sim$ 8.3 W/m-K符合得很好。计算了由于声子-声子相互作用引起的声子寿命与温度的依赖关系，以了解$κ_{L}$的行为。目前的研究表明，基态声子色散从DFT方法得到的实验$α(T)$和$κ_{L}$给出了合理的解释。
2021-12-22 cond-mat.mtrl-sci
Phonon anharmonicity and thermal conductivity of two-dimensional van der Waals materials: A review
二维（2D）范德华（vdW）材料由于量子限制效应而具有非凡的热性质，使得它们在微电子器件中的热电能量转换和热管理方面具有前景。本文对三声子和四声子相互作用引起声子非谐性的机制进行了讨论。详细地总结和推导了二维vdW材料的声子非谐性，包括格林奈森参数、声子寿命和热导率。从实验和理论上讨论了典型二维vdW材料的热导率随尺寸的变化。这篇综述将介绍如何评估二维vdW材料中声子非谐性的基础知识和先进知识，这将有助于设计与能量转移和转换相关的新结构和材料。
2022-10-17 cond-mat.mtrl-sci
Unveiling Phonon Contributions to Thermal Transport and the Failure of the Wiedemann-Franz Law in Ruthenium and Tungsten Thin Films
该研究通过热导率、光谱与模拟分析证明钌和钨薄膜中声子贡献显著并导致 Wiedemann-Franz 定律偏离，为纳米互连热管理选材提供依据。
2025-05-12 cond-mat.mtrl-sci
A General Charge Transport Picture for Organic Semiconductors with Nonlocal Electron-Phonon Couplings
有机半导体中的非定域电子-声子耦合是引起分子间转移积分涨落的重要原因。几个不可调和的方案共存的非局域电子-声子耦合的描述，如声子辅助输运，瞬态本地化，带状输运。通过对Holstein-Peierls模型中载流子迁移率的矩阵乘积态近似精确数值研究，我们确定了声子辅助输运、瞬态局域化和类带区随转移积分的变化（$V$）和非局域电子-声子耦合（$ΔV$），并从载流子迁移率、平均自由程、光学电导率和单粒子谱函数等方面分析了它们不同的输运行为。我们还确定了一个“中间政权”，其中没有既定的图片适用，一般认为跳跃政权被发现是在一个非常有限的结束，在拟议的政权范例。
2021-06-24 cond-mat.mtrl-sci
Phonon thermal transport properties of GaN with symmetry-breaking and lattice deformation induced by the electric field
电场普遍存在于半导体电子结构中，对声子的热输运产生影响。此外，它是一种常用的方法来调整固体中的热传输。本文采用第一性原理计算，从对称性破缺和晶格形变的角度研究了纤锌矿和锌锌矿结构GAN在有限电场下的声子和热输运性质。研究了电场对Zn掺杂GAN声子输运性质的影响，包括电子密度分布响应和晶格变化响应对声子色散和热导率的影响。结果发现，前者有一个小的，但定性的影响声子色散关系，即，声子分支的分裂，因为它打破了锌晶格的对称性。后者影响晶格对称性和尺寸，导致声子性质的显著变化和热导率的增加。在纤锌矿GAN中，在有限电场作用下，空间群守恒的晶格变化仅在晶格变形的情况下进行了研究，其中热导率在电场作用下随着各向异性的增加而显著降低，这与锌掺杂GAN的变化有很大不同。本文的工作为GaN基信息和电力电子器件的热管理提供了参考。
2021-06-29 cond-mat.mtrl-sci
Phonons and thermal transport in Si/SiO$_2$ multishell nanotubes: Atomistic study
从理论上研究了Si/SiO $_2$多壳层纳米管中的热输运。声子能谱是用原子晶格动力学方法得到的。热导率的计算使用玻尔兹曼输运方程内的弛豫时间近似。多壳层纳米管中的振动光谱的重新分布导致声子群速度和热导率的降低相比，均匀的Si纳米线。Si/SiO $_2$界面上的声子散射是这些结构中热导率强烈降低的另一个关键因素（在室温下降至0.2 W/mK）。我们证明了通过适当地选择纳米管的横截面、厚度和壳层数目可以有效地抑制Si/SiO $_2$纳米管中的声子热输运。
2021-04-28 cond-mat.mtrl-sci
Onset of non-diffusive phonon transport in transient thermal grating decay
本文从理论上研究了介质晶体在德拜温度附近或更高温度下的空间正弦温度扰动的弛豫。我们假设，大多数声子贡献的比热有平均自由程（MFP）比热输运距离短得多，可以描述的热扩散模型。低频声子，可能有MFP相当于或长于光栅周期的玻尔兹曼传输方程描述。这些低频声子被假定为与高频声子的热库相互作用，但彼此不相互作用。在单模弛豫时间近似下，得到了热光栅弛豫速率的解析表达式。我们发现，“弹道”声子与长MFP的有效热导率控制的光栅衰减的贡献被抑制相比，他们的贡献，在长距离的热传输。在室温下的有效热导率在Si中的减少被发现是显着的光栅周期大至10微米。
2011-09-23 cond-mat.mtrl-sci
Modeling interfacial phonon transport with normal mode dynamics
通过原子振动（也称为声子）的界面热传递的传统理论不能解释振动模式相互作用如何对界面电导做出贡献。传统的方法也使用声子作为粒子或波的概念，通过界面传播和传输能量;因此，这种方法不适用于声子不传播的现实非晶体系统。在这里，我们介绍了一个更一般的形式主义的界面声子输运，严格来自原子间的相互作用投射到系统的正常模式，显示第一次如何振动模式之间的相互作用有助于热界面电导。这种新的物理图像是基于模式之间的力和能量交换的概念，而不管它们的传播或非传播特性，从而提供了一个一般的形式主义来描述所有固体中的声子输运，而不管无序。
2021-01-25 cond-mat.mtrl-sci
API Phonons: Python Interfaces for Phonon Transport Modeling
本文介绍 API Phonons，一个连接 LAMMPS、Phonopy 等工具的 Python 软件包，用于力常数提取、热导率预测及超快声子热响应建模。
2024-12-16 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
The elphbolt ab initio solver for the coupled electron-phonon Boltzmann transport equations
本研究推出基于现代Fortran的elphbolt从头算程序，可自洽求解耦合电子-声子玻尔兹曼输运方程，计算多种输运系数及拖拽效应，利用对称性与并行特性实现高效精细计算，代码易读易扩展。
2022-02-11 cond-mat.mtrl-sci
Opposite impact of thermal expansion and phonon anharmonicity on the phonon-limited resistivity of elemental metals from first principles
European Theoretical Spectroscopy Facility, Institute of Condensed Matter and Nanosciences, Université catholique de Louvain（欧洲理论光谱设施，凝聚态物质与纳米科学研究所，天主教鲁汶大学）；Scientific Computing Department, Science and Technology Facilities Council, UK Research and Innovation, Daresbury Laboratory（科学与工程设施理事会英国研究与创新达尔斯伯里实验室科学计算部）；Département de Physique et Institut Courtois, Université de Montréal（蒙特利尔大学物理系与库瓦托瓦研究所）；Department of Molecular Chemistry and Materials Science, Weizmann Institute of Science（魏茨曼科学研究所分子化学与材料科学系）；WEL Research Institute（WEL研究所）
研究通过第一性原理计算揭示热膨胀与声子非谐性对元素金属电阻率的相反影响，并验证了其在Pb、Nb和Al中的应用。
2026-02-03 cond-mat.mtrl-sci
An Electrohydrodynamics Model for Non-equilibrium Electron and Phonon Transport in Metal Films after Ultra-short Pulse Laser Heating
超短脉冲激光加热后金属薄膜中的电子和声子不仅在电子子系统与声子子系统之间处于高度非平衡态，而且在电子子系统内部也处于高度非平衡态。从耦合的非平衡电子-声子输运方程出发，建立了由电子密度、电子能量密度和声子能量密度平衡方程组成的电流体力学模型，研究了超短脉冲激光加热后金属薄膜中的电子密度涨落和瞬态电流等非线性输运现象.随时间变化的温度分布计算的耦合电子和声子玻尔兹曼输运方程，在这项工作中推导出的电流体动力学模型，和不同的激光脉冲宽度，薄膜厚度，和激光能量密度的双温度模型。我们发现，两个温度模型高估了电子的温度在薄膜的前表面和低估的损伤阈值时，电子的非线性热输运是重要的。本文提出的电流体动力学模型比双温模型更能准确地预测非平衡电子-声子输运过程，且比电子-声子耦合的Boltzmann输运方程更易于求解.
2014-08-02 cond-mat.mtrl-sci
Effect of characteristic size on the collective phonon transport in crystalline GeTe
采用第一性原理密度泛函方法结合动力学集体模型方法研究了GeTe晶体中特征尺寸变化对声子热输运的影响.声子热输运的特征尺寸依赖性揭示了一个有趣的集体声子输运制度，位于弹道和扩散输运制度之间。因此，已经进行了系统的研究，以描述声子流体力学的签名通过晶粒尺寸和温度之间的竞争效应。一个特征的非局域长度与声子流体力学和热波传播长度已被提取。声子流体力学和这些长度尺度之间的联系进行了讨论的克努森数。此外，在中间尺寸范围内，热导率作为特征尺寸的函数的标度关系作为流体动力学行为的强度的关键指标而出现。关于正常和电阻性散射率的比率已被用来理解这些不同的标度关系，这似乎控制的强度和显着的可见性的集体声子输运GeTe。该系统的研究强调了温度和特征尺寸对GeTe中声子流体力学的竞争效应的重要性，这可以更好地理解低热导率材料中声子流体力学及其控制参数的一般行为和后果。
2021-07-10 cond-mat.mtrl-sci
Phonon Transport in Amorphous-Coated Nanowires: an Atomistic Green Function Approach
提出了一种基于格林函数的声子输运的原子论研究方法。应用该方法研究了声子在非晶材料包覆的纳米线中的流动。一个简单的模型系统，并为真正的硅纳米线涂覆二氧化硅的例子。新的物理结果出现这些系统，关于从弹道到扩散运输，低温热导的过渡的字符，和线涂层界面上的热传输的影响。一个有效的治疗声子散射的非晶涂层也开发，代表一个有价值的工具，通过非晶涂层纳米线的热传导的调查。
2003-10-15 cond-mat.mtrl-sci
Fundamental concepts of thermal phonon coherence
University of Nevada, Reno（内华达大学雷诺分校）
该综述阐明热声子空间与时间相干性的基本理论，统一波动图像，为复杂材料热输运工程提供概念基础。
2026-09-30 cond-mat.mtrl-sci
Combined treatment of phonon scattering by electrons and point defects explains the thermal conductivity reduction in highly-doped Si
在高P和B掺杂的硅晶格热导率的降低机制进行了详细的研究。声子的散射率的点缺陷，以及由电子，从第一性原理计算。晶格热导率计算考虑这些散射机制单独和一起。结果发现，在低载流子浓度和温度下，声子散射的电子是占主导地位的，可以重现实验的热导率降低。然而，在较高的掺杂浓度的点缺陷的声子的散射率占主导地位的电子，除了最低的声子频率。因此，即使在室温下，点缺陷引起的声子散射在高于$10^{19}$ cm $^{-3}$的缺陷浓度下也对Si中的热导率降低有实质性贡献。只有同时考虑点缺陷和电子对声子的散射，才能在所有温度下与实验值吻合得很好。
2019-10-01 cond-mat.mtrl-sci
Phonon modal analysis of thermal transport in ThO2 with point defects using equilibrium molecular dynamics
本研究通过平衡分子动力学结合晶格动力学，分解声子模态分析ThO2中点缺陷对热输运的影响，发现Th间隙原子对热导率降低影响最大。
2024-09-22 cond-mat.mtrl-sci
Anharmonic Phonons and Anomalous Thermal Expansion of Graphite
利用晶格动力学从头计算和声子的非谐性研究了石墨的各向异性热膨胀，结果表明，在600 K以下，石墨在a-b平面内呈现负的热膨胀，而在高温下，石墨在c轴上呈现很大的正的热膨胀，这是由于沿c轴极化的各种声子引起的.虽然NTE是由横向声子在高达60 meV的宽能量范围内的非谐性引起的，但沿c轴的大的正膨胀主要是由于16 meV左右的纵向光学声子模式和沿c轴的大的线性压缩性。石墨中巨大的各向异性键是导致沿c轴极化的横向和纵向声子模的能量范围存在很大差异的原因，这是导致反常热膨胀行为的原因。这种行为与其他几乎各向同性的六边形结构如水冰形成对比，水冰在小的温度范围内显示出异常的热膨胀，这是由声子的窄能量范围引起的。
2020-05-12 cond-mat.mtrl-sci
Disentangling Phonon Channels in Nanoscale Thermal Transport
声子表面散射一直是纳米结构和器件中热输运工程的核心。在这里，我们证明，这种声子途径可以是唯一的机制，只有低于一个特征，尺寸依赖的温度。在此温度以上，晶格声子散射与表面效应共存。通过人工控制纳米线中原子水平的质量无序和晶格动力学，而不影响形态、结晶度、化学组成和电子性质，映射了温度-热导率-直径三参数空间，并解开了主要的声子散射机制。这导致了识别的临界温度，在该温度下，晶格质量无序对热导率的影响被抑制到声子输运完全由表面决定的程度。基于Landauer-Dutta-Lundstrom近平衡输运模型讨论了这一行为。所建立的框架提供了必要的输入，以进一步推进半导体纳米尺度系统中声子和热传输的设计和建模。
2020-07-08 cond-mat.mtrl-sci
Phononic thermal properties of two-dimensional materials
随着石墨烯之外的许多新型二维（2-D）材料的出现，人们对探索基础物理和实际应用的影响越来越感兴趣，从电子学，光子学，声子学到热管理和能量存储。在本次学术讨论会中，我们首先总结和比较了具有单层石墨烯的原始2-D材料的声子性质，如声子色散和弛豫时间，以了解晶体结构和尺寸对热导率的作用。然后，我们比较声子性质，对比理想化的2-D晶体，现实的2-D晶体和3-D晶体，并合成它，以开发一个物理图像的2-D材料的样品大小如何影响其热导率。几何形状的影响，如层数，和纳米晶的宽度，连同存在的缺陷，机械应变，和基板的相互作用，2-D材料的热性能进行了讨论。插层影响层状晶体的群速度和声子弛豫时间，从而调节沿贯穿平面和基面方向的热导率。最后，我们讨论的挑战，在2-D材料的热传输的理论和实验研究。二维材料中丰富而特殊的声子物理使其成为探索拓扑声子效应等新现象和声子量子器件等应用的有希望的候选者。
2018-07-10 cond-mat.mtrl-sci
Hydrogen transport within graphene multilayers by means of flexural phonons
石墨烯维持横向平面外机械振动（弯曲声子）。在纳米尺度上，如果在交替的多层膜中以反相方式激发，这些会出现行进的波纹或空腔。在这项工作中，我们探索通过经典的分子动力学模拟的可能性，使用这些移动的纳米腔主动运输氢。我们发现，在声子衰减之前，气体可以在波传播方向上有效地传输数百纳米。因此，这种效应可以用于移动和泵送气体通过多层石墨烯基框架。
2014-12-02 cond-mat.mtrl-sci
Electron-phonon drag enhancement of transport properties from fully coupled \textit{ab initio} Boltzmann formalism
我们提出了一个联合治疗的非平衡动力学和电子和声子的输运进行\textit{ab initio}计算的完全耦合的电子和声子玻尔兹曼输运方程。我们发现，两个载体之间的相互阻力的存在下，导致热电势的增强和占主导地位的声子的运输，而不是在传统的半导体图片的电子。阻力还强烈地提高了固有的电子迁移率、热导率和洛伦兹数。杂质散射被认为是抑制阻力增强的热导率和电导率，而有弱的影响增强的洛伦兹数和热电势。我们证明了这些效果在\textit{n}掺杂的3C-SiC在室温下，并解释了它们的起源。这项工作建立了微观散射机制的作用，在相互作用的电子-声子气体的运输中出现强阻力效应。
2020-12-01 cond-mat.mtrl-sci
Thermal Conductivity of BAs under Pressure
由于砷化硼（BAs）特殊的声子色散，其热导率被认为受声子散射选择规则的影响。压缩的BA导致显着的变化，声子色散，这使得测试的第一原理理论的声子色散如何影响三，四声子散射率。这项研究报告的导热系数从0到30 GPa的BA。用金刚石对顶砧装置测量了BA的热导率与压力的关系。与典型的非金属晶体形成鲜明对比的是，观察到BA具有低于30 GPa的压力无关的热导率。非金属晶体的热导率通常在压缩时增加。不寻常的压力独立的BAs的热导率显示声子色散特性和三，四声子散射率之间的重要关系。
2023-02-16 cond-mat.mtrl-sci
Phonon transport in perovskite SrTiO3 from first principles
采用第一性原理分子动力学和非简谐晶格动力学方法研究了在相变温度（~105 K）以上稳定的钙钛矿型钛酸锶（SrTiO 3）的声子输运.与传统的基态为基础的微扰方法，给出虚声子频率，目前的计算再现稳定的声子色散关系在实验中观察到的。我们发现光学声子对晶格热导率的贡献大于60%，这与通常的声子占主导地位的情况有明显的不同。模式和赝势依赖性分析表明，声学声子输运的强烈衰减源于与横向极化铁电模式的强非谐耦合。
2015-06-08 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Effect of electron-phonon coupling on thermal transport in metals: a Monte Carlo approach for solving the coupled electron-phonon Boltzmann transport equations
本研究基于第一性原理开发蒙特卡罗方法求解耦合电子-声子玻尔兹曼输运方程，探究金属热输运，发现高温下电子主导输运，低温下声子贡献显著且Wiedemann-Franz定律失效。
2024-02-13 cond-mat.mtrl-sci nucl-th
NanoBTE: Fast Iterative Solution of the Phonon Boltzmann Transport Equation for Nanoscale Heat Transport
Fudan University（复旦大学）；Wenzhou University（温州大学）；Nanjing Normal University（南京师范大学）
针对纳米尺度热输运中声子输运偏离经典傅里叶描述的问题，提出NanoBTE求解器，采用有限体积法，支持多种条件，有迭代方案及任务分解策略，可加速收敛并实现并行化与GPU加速。
2026-07-27 cond-mat.mtrl-sci
Thermal Boundary Conductance Across Metal-Nonmetal Interfaces: Effects of Electron-Phonon Coupling both in Metal and at Interface
本文从理论上研究了金属-非金属界面上存在电子-声子耦合时的边界热导。金属与非金属之间的热能传递有三个途径：（1）界面处的声子-声子耦合;（2）界面处的电子-声子耦合;（3）金属内部的电子-声子耦合和界面处的声子-声子耦合。我们发现这三个通道可以用一个等效的串并联热阻网络来描述，并在此基础上导出了边界热导的解析表达式。然后，我们在三个典型的界面：Pb-diamond，Ti-diamond，和TiN-MgO中，从每个通道的不同贡献的热边界电导。结果表明，上述通道之间的竞争决定了热边界电导。
2014-12-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Phonon thermal transport in \b{eta}-NX (X=P, As, Sb) monolayers: a first-principles study of the interplay between harmonic and anharmonic phonon properties
对最近出现的二维（2D）材料的热性质的研究是实现其在纳米电子器件中潜在应用的必要步骤。在这项研究中，新的\b{eta} -NX（X=P，As，Sb）单分子膜的热导率进行了研究，使用第一性原理密度泛函理论（DFT）的研究的基础上的完全解决方案的线性化Peierls-Boltzmann输运方程（PBTE）。结果表明，\b{eta} -NP、\b{eta} -NAs和\b{eta} -NSb的室温热导率分别是单元素\b{eta} -P、\b{eta} -As和\b{eta} -Sb单层的约1.1、5.5和34.0倍。声子输运分析表明，较高的声子群速度以及声子寿命是负责这种增强的晶格热导率的\b{eta} -NX（X=P，As，Sb）的二元化合物相比，单元素组VA单层。我们发现\b{eta} -NP在\b{eta} -NX（X=P，As，Sb）单分子膜中具有最小的热导率，同时它具有最小的平均原子质量，这与通常认为低质量体系具有较高热导率的假设相反。本工作证明了在确定\b{eta} -NX（X=P，As，Sb）单分子膜之间的热导率的变化的谐波和非谐波声子性质之间的权衡。发现\b{eta} -NP中较高的非谐性是该单层较低热导率的原因。
2019-03-15 cond-mat.mtrl-sci
Phononic thermal transport along graphene grain boundaries
我们发现，声子在石墨烯的热输运是不能免疫的晶界（GB）沿温度梯度的方向排列。非平衡态分子动力学模拟揭示了声子热导率（$κ_p$）沿线性超窄晶界包括纵向重复的五边形-七边形位错的大幅减少。格林函数计算和谱能量密度分析表明，$κ_p$是周期性应变场的复杂表现，表现为具有漫反射和镜面声子反射的反射式衍射光栅，是声子-声子非谐散射源。我们的研究结果提供了新的见解的完整性的声子热输运GB石墨烯。
2021-04-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Interplay between phonons and anisotropic elasticity drives negative thermal expansion in PbTiO$_3$
我们使用第一性原理理论表明，成分假设是必不可少的负热膨胀（NTE）的发生-刚性单位声子模式与负格吕奈森参数-既不充分，也不必要的材料进行NTE。相反，我们发现，在PbTiO $_3$中的NTE涉及材料的声子性质（Grüneisen参数）和其各向异性弹性之间的微妙的相互作用。这些独特的见解为我们对材料热性能的基本理解以及在新材料类中寻找NTE开辟了新的途径。
2018-12-10 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
Controlling Thermal Conductivity of Two-dimensional Materials via Externally Induced Phonon-Electron Interaction
电子引起的声子散射，或称“声子-电子散射”，已被认为是高电子浓度材料中声子的重要散射通道，例如热电和纳米电子，即使在室温下也是如此。尽管先前对不同类型的三维（3D）块体材料中的声子-电子散射进行了大量的研究，但其对二维（2D）材料的声子输运以及因此对传热性质的影响尚未被理解。在这项工作中，我们应用从头算方法计算的声子-电子散射率在两个代表性的二维材料，硅烯和磷烯，并检查通过外部诱导的声子-电子散射静电门控制这些材料的热导率的潜力。我们还开发了一个分析模型来解释减少维数和不同的电子和声子分散体在2D上的声子-电子散射过程的影响。我们发现，超过40%的晶格热导率的减少可以实现在硅烯与诱导的电荷载流子浓度的范围内的$10^{13}~cm^{-2}$，这是实验上可以实现的。我们的研究不仅对二维材料中的声子输运产生了新的基本见解，而且为寻找具有强声子-电子散射的二维材料提供了实用的指导，以用于潜在的热开关应用。
2019-04-24 cond-mat.mtrl-sci
Phonons and Anomalous Thermal Expansion Behaviour in Crystalline Solids
利用非弹性中子散射和晶格动力学技术对几种开框架化合物的反常热膨胀行为进行了广泛的研究。这些化合物涉及增加的结构复杂性和柔性水平，这导致热膨胀系数的增加值接近巨大值。在几种化合物中，中子非弹性散射实验已经对低能量范围内声子的非谐性进行了定量估计，从而定量地解释了观测到的热膨胀。发现非谐性比通常材料的非谐性大一个数量级。晶格动力学计算正确地预测了中子实验中观察到的非谐性，并揭示了所涉及的声子的整体性质。在显示负热膨胀的化合物中，负责的声子具有相当低的能量，高达10 meV。在大多数化合物中，非简谐声子遍布布里渊区，而在某些情况下，特定的声子仅限于某些波矢。在所有这些化合物中，负责异常行为的特定声子的性质是不同的。这些声子通常涉及多面体单元的横向振动、振动和内部畸变。本文综述了近年来对反常热膨胀行为认识的进展。
2017-11-20 cond-mat.mtrl-sci
Panoramic mapping of phonon transport from ultrafast electron diffraction and machine learning
了解声子热输运的一个核心挑战是缺乏实验工具来研究基于模式的输运信息。虽然最近的进展，在计算导致模式为基础的信息，它是由未知的缺陷，在体区域和界面的阻碍。在这里，我们提出了一个框架，可以揭示异质结构中的微观声子输运信息，将最先进的超快电子衍射（UED）与先进的科学机器学习相结合。利用UED的双重时间和倒数空间分辨率，我们能够可靠地恢复频率相关的界面透射率与可能的扩展到频率相关的弛豫时间的异质结构。这使得能够直接重建跨界面的真实空间、实时、频率分辨的声子动力学。我们的工作提供了一个新的途径，实验探测声子输运机制与前所未有的细节。
2022-02-13 cond-mat.mtrl-sci
Comparative study of phonon spectrum and thermal expansion of graphene, silicene, germanene and blue phosphorene
基于密度泛函理论的第一性原理计算，研究了石墨烯、硅烯、锗烯和蓝磷烯等单原子二维蜂窝晶格的振动性质和热膨胀性质.我们着重讨论了它们性质的异同，并试图从它们的晶格结构来理解它们。我们说明，从石墨烯到蓝色磷烯，声子带隙的发展，由于大的屈曲诱导的混合的面内和面外的声子模式。这种混合也会影响它们的热性能。利用准谐波近似，我们发现它们在室温下都表现出负的热膨胀。
2016-10-14 cond-mat.mtrl-sci
Matryoshka Phonon Twinning in alpha-GaN
了解晶格动力学对于高功率电子器件的有效热管理至关重要，因为声子在大多数半导体中主导热输运。本研究利用互补非弹性X射线和中子散射技术，并报告了最重要的第三代功率半导体之一α-GaN的温度依赖声子动力学。用散射工具发现了一个显著的Matryoshka声子色散，并通过第一性原理计算证实了这一点。这种Matryoshka孪生在整个三维倒易空间被证明是放大的非谐性的相关声子模式，通过创建丰富的三声子散射通道和切割的声子寿命的影响模式超过50%。这种声子拓扑结构有效地有助于减少面内热输运，从而降低a-GaN的各向异性热导率。这些结果不仅对工程设计的热性能和其他声子相关的特性的α-GaN的重要意义，但也提供了宝贵的见解的作用，异常声子拓扑结构的热输运的其他技术上重要的半导体。
2021-06-21 cond-mat.mtrl-sci
Phonon Transport in Single-Layer Transition Metal Dichalcogenides: a First-Principles Study
二维过渡金属二硫属化合物（TMDCs）由于其独特的性质，在电子和光学领域有着广泛的应用前景。本文利用第一性原理驱动的声子玻尔兹曼输运方程方法，系统地研究了八种半导体单层TMDC MX2（M=Mo，W，Zr和Hf，X=S和Se）的声子输运和热导率.单模弛豫时间近似预测TMDC的热导率的有效性进行评估，通过比较的结果与声子玻尔兹曼输运方程的迭代解。当样品尺寸为1 μm时，2 H型TMDCs的声子热导率在室温下大于50 W/mK，而1 T型TMDCs的热导率要低得多。在单层WS 2中发现了142 W/mK的非常高的热导率值。W和S之间的大原子量差异导致非常大的声子带隙，这反过来又禁止声学和光学声子模式之间的散射，从而导致非常长的声子弛豫时间。
2014-07-14 cond-mat.mtrl-sci
Phonon spectrum, thermal expansion and heat capacity of UO$_2$ from first-principles
我们报告的声子色散谱，热膨胀，二氧化铀的热容的第一性原理计算。所谓的直接方法，准谐波近似的基础上，被用来计算电子结构的密度泛函框架内的声子频率。在理论平衡体积下计算的声子色散与实验色散吻合得很好。计算的声子态密度（DOS）比较合理，以及与测量数据，也计算的频率的拉曼和红外有源模式，包括LO/TO分裂。为了研究声子频率的压力依赖性，我们计算了几个晶格常数的声子色散。我们计算的声子谱表明由压力引起的光学和声学模式之间的间隙的开放。考虑声子对总自由能的贡献，用{ \it ab initio}计算了UO $_2$的热膨胀系数和热容.这两个量与温度高达约500 K的实验数据吻合得很好。
2011-10-05 cond-mat.mtrl-sci
Phonon anharmonicity, lifetimes and thermal transport in CH$_3$NH$_3$PbI$_3$ from many-body perturbation theory
CH $_3$ NH $_3$ PbI $_3$中的晶格振动是强相互作用的，在布里渊区边界处存在双阱不稳定性。在第一性原理晶格动力学框架内的分析揭示了具有短声子准粒子寿命和平均自由路径的非谐势。声子的行为是不同的无机半导体GaAs和CdTe的三声子相互作用强度是三个数量级小。混合卤化物钙钛矿的应用所产生的热导率，带隙变形，和电荷载流子散射通过电子-声子耦合的影响，提出。
2016-10-12 cond-mat.mtrl-sci
