Mater. Today Phys.：量化硅纳米结超结构中声子粒子性和波动性输运

背景介绍

波粒二象性是电子、光子和声子等具备的客观属性。载流子的波动和粒子输运规律不同，会导致材料的电学、光学和热学等性质产生较大差异。因此，可以通过来改变波动和粒子输运的占比，来调控材料物理特性。近年来，有部分工作定量研究了电子与光子的波动性和粒子性输运，然而对于半导体和绝缘体中主要能量载流子声子的研究却非常少。半导体材料广泛用于日常生活，包括集成电路等器件的散热，和热电器件的热能/电能转换。通常对半导体材料热导率和声子输运的调控手段，分别基于声子波动性或粒子性。在微纳尺度，声子输运的波动性和粒子性都具有一定贡献，对其的量化研究必然能对声子工程提供更丰富的信息，也成为迫切需要解决的问题。

成果简介

2016年该文作者提出了基于纳米结调控材料热导率的思路，论证了纳米结内部基于声子波动性的局域共振杂化机制[Phys. Rev. B 94, 165434 (2016)]，和同位素替换下特有的杂化破损机制[ Phys. Rev. B 98, 245420 (2018)]。在此基础上，作者进一步量化了硅纳米结声子超材料中声子的波动和粒子性输运。作者基于粒子输运的蒙特卡洛算法，将非平衡格林函数获取的声子波动信息加入蒙特卡洛模拟计算中，通过对比分析纳米线和纳米结的热导率差异，量化硅纳米结声子超材料中的声子波动和粒子效应对热导率的影响。研究发现，虽然基于声子波动性的局域共振杂化是导致硅纳米结热导率下降的主要原因，但粒子性输运的影响同样占有一定比重。从而得出协同调控声子波动性和粒子性输运的重要性。相关研究结果以题为“量化硅纳米结超材料中声子波动性和粒子性输运”（Quantifying phonon particle and wave transport in silicon nanophononic metamaterial with cross junction）的研究论文[Materials Today Physics 8 56 (2019)]，发表在Materials Today Physics上。

该工作中，华中科技大学能源与动力工程学院杨诺教授和东京大学机械学院Junichiro Shiomi教授为论文的通讯作者，华中大马登科博士和东大Arora Anuj为共同第一作者，合作者还有华中大邓世琛以及湖南科技大学谢国锋教授。(更多研究成果请参考纳米传热实验室主页 http://nanoheat.energy.hust.edu.cn )

图文解读

图 1 （a）声子在硅纳米结体系中输运的示意图；（b）一个侧柱的硅纳米结（junction）；（c）四个侧柱的硅纳米结（junction）。

图2 （a）300 K下，硅纳米线（Wire）和硅纳米结体系（NCJ）的热导率随横截面积的变化关系；红线通过MC计算得到，只考虑了声子的粒子效应；蓝线通过AGFMC 计算得到，声子的粒子和波动效应都被考虑在内；（b）一个侧柱（1-leg）、两个侧柱（2-legs）和四个侧柱（4-legs）硅纳米结体系中，声子的波动比随横截面积的变化关系。

图3 （a）不同侧柱高度硅纳米结的声子透射谱（Transmission function）。（b）绿线是纯纳米线（SiNW）中的声子透射谱，1-leg表示一个侧柱，4-legs表示四个侧柱；a是硅的晶格常数，1a表示四层硅原子，0.25a则表示只有一层硅原子。

总结展望

总之，本文基于蒙特卡洛框架，将声子的波动信息通过非平衡格林函数融入传统MC模拟，通过用MC模拟和AGFMC方法计算不同结构的热导率，本文量化了硅纳米结中声子波动效应和粒子效应对热导率的影响。研究发现，当组成硅纳米结中纳米线的横截面积仅为2.23 nm²时，对一个侧柱和四个侧柱的硅纳米结，其粒子效应占比分别为0.18和0.31；当横截面积为17.72 nm²时，一个侧柱四个侧柱纳硅米结中粒子效应占比分别为0.28和0.39。该结果表明，纳米结中阻碍声子输运的主要原因是波动性的局域共振杂化效应，但粒子性的散射作用占比依然较大，不容忽视。通过降低侧柱高度，声子的透射系数逐渐增加；但当侧柱高度仅为一个原子层时，计算得到的声子透射谱仍然与硅纳米线存在一定差异，该结果也定性表明硅纳米结中基于声子粒子性的散射起着较大作用。

文献链接： https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2019.01.002 

该工作得到国家自然科学基金和日本MI2I、JST的支持。

通讯作者简介

华中科技大学能源学院杨诺教授致力于纳米尺度导热和调控基础即声子工程方向的研究。共发表学术论文55篇（第一/通讯作者SCI 39篇和EI 2篇）；至2019年2月，SCIE他引1212次（第一/通讯作者1003次）。H指数21，4篇ESI高被引论文。第一/通讯作者发表在高影响力杂志Nano Today (R)、Nano Lett. (6篇)、Phys. Rev. B (Rapid Comm.)、JMCA热点文章、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年受美国物理联合会杂志AIP Advances邀请撰写纳米结构热输运的综述性文章，该篇文章被评为2010-2014年间出版的中国作者的高引用文章第一名，他也被评为热点人物（下图）。

图 AIP Advances热点人物。

他获得奖励和人才计划包括：

• 2016日本学术振兴会访问学者（全球申请者约1/3获取）
• 2017年湖北省自然科学基金杰出青年项目
• 2015湖北省教育厅,“楚天学者”特聘教授（当年共36人）
• 2013上海科学技术委员会“浦江人才计划”
• 2009教育部“国家优秀自费留学生奖学金”
• PHNONONS 2018 & PTES 2018 国际声子学联合会议最佳海报奖
• 2016美国机械工程师学会ASME微纳尺度传热传质学术会议最佳海报奖

受邀在国际学术会议做Keynote报告1次，国内学术会议主题报告1次。主持国家自然科学基金的情况为：青年项目、面上项目和国际合作与交流项目各一项。担任ES Mater.&Manuf.和Ther. Sci. Eng.杂志Associate Editor。此外，编写专业著作《纳米材料热传导》第三章“一维材料热传导”，科学出版社，2017年,书号：9787030511379和《Chalcogenide semiconductors : from 3D to 2D and beyond》第二章“硫化物传热性质”和第三章“硫化物热电转换”，爱思唯尔（Elsevier）出版社，2019年。

东京大学机械工程系Junichiro Shiomi教授，2004年于瑞典皇家理工学院取得博士学位。他领导的Thermal Energy Engineering实验室的主要研究方向为基于微纳结构的热管理、废热回收和能量收集，在国内外学术高影响力学术期刊Nature Materials、Science Advance、Physical Review X、Physical Review Letters、ACS central science、Nano letters等发表了大量学术论文。他主持了核心科学技术发展（JST-CREST）、面向未来科学技术的前期研究（JST-PRESTO）和新能源技术发展组织（NEDO）等项目。他为日本机械工程协会会员，Applied Physics Express、Japanese Journal of Applied Physics和Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers等杂志副主编，获得过Zeldovich Medal from the Committee on Space Research 荣誉奖章，年轻科学家奖，日本教育、文化、体育和科技部的科学技术奖以及日本传热协会的学术奖章。

本文由华中科技大学杨诺教授团队供稿。

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