基于声子波动效应的人工带隙材料热输运性能调控

Artificial bandgap materials are ideal platforms for studying phonon wave effects due to their bandgap characteristics. The wave effects of phonons provide a new way to control heat transfer properties. It is important to understand the influence rules of wave nature of phonons on the heat conduction and their underlying mechanisms. This project will focus on the following two key scientific issues: the generation conditions and key influence factors of phonon bandgaps, and the effect of structural defects on wave-like behavior of phonons. Molecular dynamics simulations and lattice dynamics calculations will be used to study the wave-like phonon transport and thermal properties of artificial bandgap materials, such as superlattices, phononic crystals and thermal metamaterials. The phonon wave effects, including Bragg scattering, local resonance and Anderson localization, will be systematically investigated to explain the heat transfer mechanisms in artificial bandgap materials. Moreover, the wave nature of phonons will be considered in the design of thermal properties. The effect of environmental conditions and structural parameters on thermal conductivity will be investigated. The regulation principles of heat transport in artificial bandgap materials will be further put forward from the viewpoint of wave-like phonons. This project is expected to provide useful insights and guidelines for the design and optimization of thermoelectric devices.

人工带隙材料因其带隙特征，成为研究声子波动效应的理想平台，为热电材料的热学性能调控提供了全新思路。热输运过程不仅可通过传统的声子粒子性行为进行控制，还可借助声子的波动效应实现调节，但目前科学界对声子波动效应影响热输运的规律及物理机制仍缺乏深入认识。本项目以硅/锗基人工带隙材料（包括超晶格、声子晶体和热超构）为对象，围绕“声子带隙的激发条件和关键影响因素”和“结构缺陷对声子波动行为的作用机制”两个关键科学问题，结合晶格动力学精确获取声子信息的优势和分子动力学灵活模拟不同条件下热物性的优势，探究人工带隙材料中的声子布拉格散射、局域共振和安德森局域化，揭示声子波动效应对热量输运影响的物理本质；并将声子波动效应进一步应用于导热性能设计，明晰环境条件及材料结构参数变化引发的热物理现象和基本规律，从声子波动性角度构建人工带隙材料热输运性能的调控机制，为热电材料的设计和优化奠定科学基础。

热输运过程不仅可通过传统的声子粒子性行为进行控制，还可借助声子波动效应实现调节，但目前科学界对声子波动效应影响热输运的规律及物理机制仍缺乏深入认识。本项目从引入共振单元及周期性网孔的二维Ⅳ族材料出发，利用分子动力学结合晶格动力学/第一性原理方法，探讨共振单元及周期性网孔对声子输运的影响；分析声子散射、布拉格散射、局域共振和安德森局域化等，从声子粒子和波动性两个角度揭示微观导热机理；明晰环境条件及材料结构参数变化引发的热物理现象和基本规律，构建低维材料导热性能的调控机制，为热电材料的设计和优化奠定科学基础。.研究表明，共振体单元及周期性网孔可激发声子波动效应，进而抑制热输运：（1）引入侧带共振体导致石墨烯纳米带面内热导率的大幅降和显著各向异性。面内侧带导致的声子局域化，以及侧带声子波耦合所引起的杂化共振引发的声子群速度减小和声子带隙产生，阻碍了热输运。杂化共振仅在面内周期性方向有效；此外，侧带改变了不同频率声子对热导贡献比，并引发面内两方向声子寿命差异，增强了导热各向异性。（2）与石墨烯相比，具有周期性孔缺陷构型的石墨烯纳米网的热导率显着降低，这归因于三个方面：布里渊区折叠引发的声子带隙、扁平的声子色散和降低的声子群速度；布拉格散射引起声子相消干涉，导致的声子局域化；将光学声子模式反射回C-H部分引起的声子限制效应。（3）硅烯纳米网的热导率远低于理想硅烯。热导率的降低归因于纳米孔边缘处的声子背向散射引发的额外热阻，以及纳米孔诱发的边界和界面散射。由于纳米网中声子表现出波动行为，使得声子带隙出现、LA声子群速度减小、声子局域化，从而导致纳米网热导率进一步降低。.低温下，侧带共振体阻碍热输运的效果更好；在周期方向，热超构的热导率随侧带的高度和宽度的增加而降低；而在非周期方向，侧带尺寸与热导率间并无明显联系。环境温度对石墨烯、硅烯纳米网的热导率影响不大，但孔隙率变化对热输运影响显著。