周期性结构中声子热输运机理的理论与实验研究

It is discovered that the thermal phonon flux in the periodic structure not only has the usual particle transport mode, but also has the wave transport mode for some low frequency phonons. This property leads to a new idea to change the thermal conduction capability and to control the heat flow accurately. Because of the broad frequency range of the thermal phonons, the thermal conduction model in the periodic structure must completely describe the dual transport mode, i.e., the particle and wave transport mode. The superlattice thermal conduction model is established based on the Boltzmann equation, taking into account the phonon-phonon scattering, boundary scattering, and focusing on the the effect of the interface. The atomistic Green's function method is used to study the thermal boundary resistance which blocks the phonon particle transport. The interface roughness and the nonelastic scattering is quantitatively analyzed. On the basis of the superlattice phonon dispersion relations, the role of the defects at the periodic interface to the phonon wave propagation is studied by the perturbed theory. The Boltzmann equation is numerically solved by Monte Carlo method, and is analytically solved by the relaxation time approximation. The superlattice thermal conductivity and thermal boundary resistance are measured by the 3ω method. With the help of the experiment, the numerical and theoretical analysis is improved. The research in this project tries to figure out the method to change the phonon transmission efficiency by means of designing the periodic structure and interface situation. If it works, the method will have significant application value in the area of developing thermoelectric materials and heat management.

周期性结构中的热声子流被发现不仅具有常规的粒子扩散模式，一部分低频声子还具有波动传播特性。这一特性为改变材料导热能力和精确的热流控制提供了新的思路。由于热声子的频率分布宽广，周期性结构中的热传导模型必须能够完整描述声子的粒子和波动双重传播模式。基于玻尔兹曼方程建立超晶格的热传导模型,考虑声子-声子散射，边界散射，重点研究界面的影响。利用原子格林函数方法研究阻碍声子粒子传播的界面热阻，定量分析界面粗糙度和非弹性散射的作用。基于超晶格的声子色散关系，使用微扰理论研究周期性界面上的缺陷对声子波动传播的影响。玻尔兹曼方程主要使用蒙特卡洛方法数值求解，并尝试利用弛豫时间近似解析求解。利用3ω方法测量超晶格热导率和界面热阻，并修正数值和理论研究。通过本课题的研究，希望可以通过周期性结构设计以及调整界面状况等方法改变声子传输效率。这一方法如果可行，将在热电材料开发、热量管理等领域具有较大的应用价值。

热声子的频率分布宽广，周期性结构中的热声子流被发现不仅具有常规的粒子扩散模式，一部分低频声子还具有波动传播特性。为此需要建立相关热传导模型，可以完整描述声子的粒子和波动双重传播模式。主要工作和结论如下：（1）本项目组提出了晶格子结构技术，分别与波包法和原子格林函数方法结合，开发了时域下和频域下声子相干输运的高效分析模型。这两个模型都采用无近似误差的子结构静态凝聚，呈数量级地减小仿真系统规模，可以对较大的晶格体系进行并行运算。（2）通过将有限元法和原子格林函数法结合，建立了介观尺度结构中声子相干输运的分析模型，适用于处理任意复杂形状的多终端量子结构，比散射矩阵法等常用的计算方法适用性更强，可以分析各对终端之间的声子透射率，结构中的局域态密度等。证明了随着单元尺寸的减小，结果不受单元划分方式影响迅速收敛。（3）分析了部分同位素在超晶格中随机无序分布形成的缺陷对石墨烯同位素超晶格热传导的影响。研究了同位素在石墨烯中对热传导的影响因素，包括同位素种类、组分比和分布规律。这些随机分布的同位素原子一方面在结构中引起声子的局域化、散射等，另一方面也会破坏超晶格结构的界面，进而引起界面热阻的改变。（4）研究了三声子倒逆过程散射的计算和基于Buttiker 探针模型引入声子的非线性作用，以及基于该模型的弹道热整流。（5）完成了基于有限元分析模型的3ω实验台的搭建，为进一步对复杂结构的测试奠定了基础。（6）对纳米线和电极之间对接触热阻问题进行了实验研究，分析了界面材料的影响。研究成果对利用周期结构设计材料热物性和精确的热流控制有重要的参考价值。