电子声子耦合和非平衡导热机理的第一原理研究

Thermal charaterization methods based on Raman spectroscopy and ultrafast laser have become the most important techniques to measure the thermal transport properties at micro and nanoscale. In these new techniques usually the electrons are first heated by light or electricity, creating electron-phonon non-equilibrium. During the electron and lattice energy transfer process, some phonons have stronger coupling with electrons can gain more energy than other phonons, which leads to the local thermal non-equilibrium and creates hot phonons. However, the different coupling strength between phonons and electrons and the non-equilibrium among phonon modes are simply neglected in most research works. In this project, the principal investigator proposes to establish a numerical method based on first-principles calculation to study heat transfer mechanism in this process. The electron-phonon energy transfer and the hot-phonon process will be carefully investigated for different types of materials, including metal, semiconductor, and two-dimensional material. More importantly, we will analyze how the local non-equilibrium can affect the heat conduction process and compare that with the usual heat transfer process. The outcome of this research will help us to develop a deeper understanding of the energy relaxation and heat transfer process during the thermal measurements of Raman spectroscopy and ultrafast lasers. It also helps to better understand and analyze the measured data.

基于拉曼光谱和超快激光的测量近年来逐渐成为微纳尺度热物性表征的主流技术手段。在这些热测量中，普遍采用光照或通电的方式直接加热被测物体，会引发被测体系中的电子和声子的非平衡。在电子和晶格的热量传递过程中，也会由于电子和不同声子的耦合强度不同，导致不同声子模式之间的非平衡（温差）以及热声子的产生。然而对于这一物理过程中的电子和声子耦合，不同声子模式之间的温度差异，以及非平衡对体系导热的影响，却缺乏深入和定量化的研究。申请人针对这一问题，拟建立一套基于第一原理计算的方法，通过定量化的分析金属、半导体、二维材料等不同类型的材料中电子和声子之间的能量传递、热声子和其它声子之间的能量传递、以及声子模式之间非平衡对被测体系导热的影响，揭示这种非平衡导热的机理。本课题的开展对于深入理解基于拉曼和超快激光的热测量实验中的能量弛豫和导热过程、更准确的分析和理解测量数据有重要的意义。

在极小尺度和超快过程中，由于热源激励的多样性，导热的过程不同于以往的平衡导热，而会出现明显的非平衡效应。非平衡效应包括电子-晶格（声子）之间的非平衡，以及晶格不同振动模式（声子模式）之间的非平衡。这样的非平衡导热有着完全不同的物理机制，深入理解这些机制对于电子器件中的微小尺度热输运，以及各种常用的微纳热测量方法的准确使用有重要的意义。针对上述问题，本课题深入研究了电子声子耦合和非平衡导热机理，首先建立了一套完整的第一原理和玻尔兹曼输运方程的数值算法，该方法可以在不需要任何拟合参数的情况下，准确的预测导热特性并揭示非平衡导热机理；运用该方法进一步研究了金属、半导体、二维金属的电子声子耦合对非平衡导热过程，深入揭示了电子-声子的耦合输运机制以及电子声子耦合和非平衡效应对导热特性计算和测量的影响。成果为理解极小和超快过程中的导热机理提供了理论支持和数值方法，产生了一定的国际学术影响力。相关成果在Physical Review B, International Journal of Heat and Mass Transfer, Applied Thermal Engineering等相关领域的国际高水平期刊上发表SCI期刊论文24篇。共有7名博士生参与本课题研究，其中博士生有4人已经毕业，1人通过预答辩。在资助期内课题组参加国际学术会议5人次，邀请美国乔治亚理工大学教授等国际知名专家来课题组开展学术交流2次。