超低导热材料中通过纳米结构的声子谱热输运机理研究及调控

Materials with ultra-low thermal conductivity have great applications in areas such as national defense, energy utilization, and deep space detection. We will study spectrum phonon transport across various complex nano-structure in materials with ultra-low thermal conductivity. Based on the superposition of phonon scattering by different nano-structures, materials with ultra-low thermal conductivity will be designed and followed by experimental verification. In the past studies, simulation tools in micro/nano-scale heat transfer, such as molecular dynamics simulation, can only obtain the information of collective motion of phonons, or the thermal conductivity and interfacial thermal resistance. However, such datum is not enough for materials design, more detailed datum - the phonon spectrum scattering - is needed. We propose to combine molecular dynamics simulation and atomistic Green’s function approach, with the full atomic model we study phonon spectrum scattering by various nano-structures. In material design, spectrum superposition method will be used for the optimization to achieve full spectrum scattering via the scattering of phonon modes at each spectrum range with different nano-structures. Such methods can be transferred to different material systems.

超低导热材料在国防、能源利用及空间探测等领域有着重要的应用，比如航空发动机叶片用于隔热的热障涂层。本项目研究超低导热材料中复杂纳米结构对声子谱热输运的机理，并通过散射频谱叠加的方法对纳米结构进行优化组合，设计具有超低导热系数的复合结构材料，并实验验证。在以往的研究中，常用的微纳米尺度模拟方法（分子动力学方法等）只能够计算声子通过纳米结构散射的整体效应，即计算材料的导热系数和界面热阻，该数据对于具有多种纳米结构的材料导热系数的优化设计远远不够，因而需要计算更基础的声子谱散射数据。结合分子动力学模拟及原子格林函数方法，我们拟通过全原子尺度的模拟，研究复杂纳米结构对声子谱散射的热输运机理。在材料设计上，采用散射频谱叠加的方法进行优化，即通过不同的纳米结构特征对声子谱进行分频段散射，以达到全频谱散射的目的。本研究提出的方法具有通用性，可以扩展到不同的材料体系中。

项目以超低导热材料在国防、能源利用、及深空探测等领域应用为背景，研究超低导热材料中纳米结构对声子输运的影响。项目的主要研究内容及结论为：（1）研究了超晶格结构中利用声子禁带降低材料热导率的机理及方法，项目采用分子动力学模拟以及原子格林函数的方法，研究了多周期厚度一维分子链以及AlAs/GaAs超晶格中的声子输运，结果表明由于不同厚度超晶格所产生的声子禁带不重叠，当多周期厚度叠加形成薄膜时，可以在较宽的范围内对声子输运进行抑制，从而设计出具有超低导热系数的薄膜。（2）研究了纳米颗粒与无定型材料复合体系的热输运，由于纳米颗粒可以散射较长波长的声子，而无定型材料可以散射高频短波长声子，其组合体系有希望在长短波长同时对声子进行散热，项目以氧化钇稳定氧化锆（YSZ）为对象，研究了YSZ纳米晶体与无定型材料复合后的导热系数，研究发现，纳米复合材料的导热系数比YSZ晶体的导热系数低，但比无定型YSZ导热系数高，体积分数很小的时候，复合结构的导热系数与无定型 YSZ相差不大，但随着体积分数的增加，复合结构的导热系数也随之增加，导热系数向YSZ晶体靠拢，纳米颗粒与无定型材料的复合体系虽然不能突破无定型材料低导热极限，但在YSZ涂层中引入无定型结构仍能有效降低其热导率。（3）项目还通过PECVD、分子束外延等方法制备了SiO2,SiNx,SixGe1-x等薄膜，并搭建了3-ω法导热系数测试平台对其热导率进行了表征。项目的主要科学意义是提出并验证了一种能够通过超晶格声子谱定量计算及叠加设计超低导热薄膜的方法，该原理有望扩展到更多材料体系热物性的设计中，例如通过结合超硬材料与超软材料相结合进一步增强声子散热，相关研究在热电材料领域具有一定应用价值。