半导体纳米尺度热信息器件计算设计及声子调控

Thermal information devices are heat-based functional devices that can transport and manage information. With the recent appearance of thermal rectifiers, thermal transistors, thermal storages and thermal logic gates, thermal information management is attracting more and more attention from researchers and is becoming a new research field. However, most of the researches up to now are based on tuning the matching degree of the phonon spectra of the system, and very few works begin from the point view of phonon waves. In this project, we will focus on designing efficient nanoscale thermal information devices in theory by utilizing the first principle method, the non-equilibrium green function method, the crystal lattices dynamic theory and the molecular dynamics simulations. We will also try to tune the properties of the devices throughout phonon engineering. The main content includes: (1) Designing efficient nanoscale thermal rectifiers and thermal transistors from the point view of phonon waves and by utilizing phonon total reflection and phonon interference. (2) Controlling the heat flow in nanoscale phononic crystals to realize thermal waveguides by drawing lessons from the management of acoustic wave in phononic crystals and the management of light wave in photonic crystals, respectively.

热信息器件是一种利用热量作为基本载体，进行信息处理和传输的功能器件。近年来，随着各种热信息器件相继被提出，如热整流器、热晶体管、热存储器和热逻辑门等，热信息处理已经受到众多科学家的广泛关注，并正在成为一个新兴的研究领域。目前关于热信息器件的研究大多是根据声子能谱匹配程度不同而设计的，而从声子波动性角度出发设计热信息器件的研究工作还鲜有报道。本项目将以第一性原理计算结合非平衡格林函数输运理论为基础，结合晶格动力学和分子动力学方法，从理论上设计具有优异性能的纳米尺度热信息器件，并通过声子工程进行性能调控。重点研究内容如下：（1）从声子波动性的角度出发，利用声子全反射、声子干涉等波动特性，根据计算设计具有优异性能的纳米尺度热整流器件和热晶体管。（2）通过借鉴声子晶体调控声波，光子晶体控制光波的方法，利用纳米尺度声子晶体对热流实现精准控制，进而设计出能控制热能流向的热波导器件。

近年来，随着各种热信息器件相继被提出，热信息处理已经受到众多科学家的广泛关注，并正在成为一个新兴的研究领域。深入理解纳米尺度器件和结构中声子输运性质以及相应的微观机制，对热信息器件的设计至关重要。本项目以第一性原理计算结合非平衡格林函数方法为基础，结合分子动力学方法和玻尔兹曼输运理论，系统地研究了范德华异质结和范德华超晶格中的声子输运性质以及对热电性质的调控；研究无定形材料中声子输运机制；探索分子器件中热电转换的新机制；并设计出了石墨烯基单原子层热超构材料实现对热流的控制。在本项目资助下，项目执行期间已在国际有影响的SCI 源刊上发表论文8篇，较好地完成了研究计划。