磁性材料热导率计算方法及磁子-声子耦合机制的理论研究

Magnon-phonon coupling must not be ignored when discussion the thermal transport in materials. However, little was known about how magnon-phonon coupling effects thermal conductivity due to the absence of a robust theoretical research method. In this project, we are going to develop a new method to calculate thermal conductivity based on spin lattice dynamics and equilibrium molecular dynamics simulation, which can inherently include the magnon-phonon coupling in magnetic materials. To look further into the characteristics of magnon and phonon, as well as their coupling. Clarify the physical mechanism of magnon-phonon coupling and reveal its role in thermal transport. Further more, through theoretical calculation, provide the posibilities to improve the performance of thermoelectric and photoelectric materials by magnon-phonon coupling.

磁子-声子耦合作用是研究材料热传导性质中不可忽略的部分，然而由于缺乏可靠的研究磁子-声子耦合作用的理论方法，对于磁子-声子耦合是如何影响热导率变化，现阶段所知较少。本项目结合自旋晶格动力学和平衡态分子动力学方法，拟发展一种能反映本征磁子-声子耦合作用的热导率计算新方法，深入研究磁子、声子性质及其耦合作用，阐明热传导中磁子-声子耦合的机制，揭示其对热传导性质的影响。在此基础上，扩展计算体系，找到通过调控磁子-声子耦合来提升热电、光电材料性能的新途径，为后续实验制备提供理论基础和支撑。

晶格-自旋动力学计算方法在计算磁子-声子耦合作用对传热性质的影响方面是有效且准确的。对于BCC Fe晶体而言，磁子-声子耦合作用明显降低了体系热传导性能，因为磁子-声子耦合作用消耗了一部分声子能量，导致参与晶格传热的声子数量减少，进而降低了体系热传导性质。磁子-声子耦合作用相比于单纯的声子间耦合作用更容易受到温度的影响，随着温度升高，磁子-声子耦合作用一方面使得声子散射率增加，一方面又增加了部分声子的平均自由程，从而导致了热导率的降低。相比于单晶Fe晶体，引入孪晶晶界后Fe晶体热导率明显提高，但是随着晶界密度增加，热导率会逐渐下降，因此合理的控制晶界密度可以有效提高Fe晶体热导率。温度升高会显著影响孪晶中的磁子-声子耦合作用，进而改变体系中声子性质，对材料的非电子热导率起到一定的调控作用。项目执行期间发表了1篇SCI文章，2篇在审，培养了6名本科生。