高温下声子散射机制的理论研究

The researches of heat conduction in materials under high temperature are of great importance in designing thermal barrier coatings, developing thermoelectric materials and finding solutions for heat dissipation in high power electronics. However, there are still plenty of room for the researches on phonon transport at high temperature, one of the main heat carriers in solids. Some phonon scattering mechanisms which are important at high temperature are usually ignored in previous studies. The aims of this project are to investigate phonon-phonon scatterings, phonon-interface transmissions and phonon-defect scatterings at high temperature from a microscopic point of view using theoretical calculations. In the study of phonon-phonon scatterings, the effects of higher-order phonon-phonon scattering mechanisms beyond three-phonon scatterings and the temperature dependent anhamonicity of lattice vibration on phonon transport will be investigated. In the studies of phonon-interface transmissions and phonon-defect scatterings, a method based on molecular dynamics simulations will be achieved to observe the interactions between phonons and these micro-structures, so that the relative importance between elastic processes and inelastic processes can be identified. Based on the information on phonon scatterings and phonon transmissions, the thermal conductivity of novel high-temperature functional materials will be predicted by solving phonon Boltzmann transport equation and compared with experimentally measured data to validate the accuracy of the calculations. This project could pave the path to search, design and optimize new functional materials working at high temperature.

材料在高温下导热特性的研究对热障涂层设计、热电材料开发、高功耗电子器件散热等有着重要的意义。但是，目前对固体材料中主要的热载子之一，声子，在高温下输运性质的研究仍不完善。一些在高温下起重要的声子散射机制在过去的研究中常被忽略。本项目旨在采用理论计算从微观角度研究高温下声子-声子散射、声子-界面透射和声子-缺陷散射过程。在声子-声子散射的研究中，分析三声子过程以外的声子间高阶散射机制，及具有温度相关性的晶格振动非简谐效应对高温下声子输运的影响。在声子-界面、声子-缺陷的研究中，提出一种基于分子动力学的模拟方法来观测高温下声子与这些微结构的相互作用，分析弹性散射、透射过程和非弹性过程的相对重要性。最后，结合这些声子散射、透射性质，通过求解玻尔兹曼声子输运方程来预测新型高温功能材料的导热性质，并将计算结果与实验结果进行比较来验证计算的合理性。本项目将为高温功能材料的搜寻、设计和优化提供新的思路。

材料在高温下导热特性的研究对热障涂层设计、热电材料开发、高功耗电子器件散热等有着重要的意义。但是，目前对固体材料中主要的热载子之一，声子，在高温下输运性质的研究仍不完善。本项目采用理论计算从微观角度研究高温下声子-声子、声子-界面透射等机制。针对高温下声子输运的特殊性，探讨了四声子散射和声子重整化的影响。提出了基于波矢网格插值的计算方法，实现了四声子散射率的快速计算，在全温度范围预测了六方硅、六方锗及其合金的热导率，揭示了该类材料热导率各向异性的来源；改进了温度相关有效势能方法，获得了不同阶温度相关力常数，揭示了过去研究中常被忽略的力常数的温度效应对石墨烯热导率的影响。在此基础上，阐明了玻尔兹曼方程与分子动力学模拟这两种主流的热导率计算方法间的深层次联系，提出了以往研究中所忽略的由分子动力学模拟尺寸效应所导致的波矢离散性对声子散射的影响是造成两种方法预测热导率不一致的主要原因。针对声子-界面透射现象，提出了描述有限温度下声子透射系数的非简谐声子理论，揭示了高温下声子重整化对透射系数的影响；并通过分析不同频率声子在界面体系中的传播过程，利用声子重分布现象解释了界面热导具有尺度效应的原因。此外，本项目结合机器学习算法开发新材料的高精度势能函数，通过分子动力学研究合金中力场不均匀性对其高温下导热性能的影响。