非简谐声子相互作用与其对二维晶格热传导影响机制的理论研究

Due to the miniaturization of electronic devices, heat production per unit area or volume dramatically increases. Efficient removal of excessive heat thus becomes critical for proper functioning of electronics. Two-dimensional (2D) materials, e.g., graphene, are promising for nanoelectronic applications. As 2D thermal transport depends strongly on stain, it has become an important engineering method for manipulating the thermal properties. Because of the lower dimensionality, 2D systems have distinctly different thermal properties comparing to conventional materials. To better understand the mechanisms of 2D thermal transport, the principle investigator (PI) proposes to study the anharmonic phonon interactions. Because large scientific facilities are needed to measure phonon spectra, e.g., inelastic neutron scattering spectroscopy, relevant experiments cannot be readily performed. In this project, the PI will apply density functional theory, Boltzmann transport equations, and the newly developed Slave-mode method to study anharmonic phonon interactions and lattice thermal transport. The successful implementation of this project will pave the path for the applications of 2D materials in nanoelectronics.

随着电子器件的集成化程度越来越高、体积越来越小，工作过程中单位面积或体积所释放的热能逐渐增多。如何快速有效地散发多余的热能是现代化电子器件领域急需解决的关键问题之一。以石墨烯为代表的二维材料在纳米电子器件中有巨大的潜在应用价值；由于这类材料的热导率有很强的应变依赖性，因此应变调控成为改善二维晶格热传导的重要手段。由于低维特征，二维材料表现出与传统材料截然不同的热传导特征。为了更深入全面地剖析二维热传导的本质机理，本项目拟对非简谐声子的相互作用进行研究。由于声子振动谱的实验测量需要使用大型科学设备，例如非弹性中子散射等，所以执行难度大。因此，项目申请人将基于密度泛函理论与玻尔兹曼输运方程，利用最新发展的非简谐晶格振动计算方法研究二维体系中的声子相互作用与热传导的应变调控机制。本项目的研究成果将为二维材料在新型纳米器件上的应用提供理论基础与方向指引。

以石墨烯为代表的低维材料，具有不同于体材料的性能，使得纳米元器件成为可能。与此同时，随着电子设备的尺寸缩减至微纳米级别，电子器件的能量密度越来越大，其热控制愈发重要。因此，研究低维材料随其特征尺寸变化的传热性能具有重要意义。另外，低维材料的传热性能具有不同于传统三维材料的应变依赖特性。本项目通过对低维材料声子相互作用机理进行深入理论研究，剖析了其热传导的微观机理。通过对低维材料晶格动力学的研究，我们揭示了非简谐晶格振动的特性以及应变调控下声子与声子间的相互耦合机制，为后续低维材料热传导调控的研究奠定了基础。此外，本项目还拓展了对极窄纳米带的热输运机理的理解，有助于其他准一维纳米带的传热性能研究。