超晶格中两种声子波效应调控相干-非相干区域热输运的机理研究

《Advanced Science》：Two Distinct Phonon Wave Effects Control Thermal Transport across the Coherent–Incoherent Regime in Superlattices

本文通过声子维格纳输运方程（WTE）揭示了超晶格中热导率最小值产生的微观机制，发现波通道（wave-channel）贡献主导了非相干区域的热导率上升，而相干声子主要通过粒子性的布居通道（population-channel）传热。该研究突破了传统玻尔兹曼输运方程（BTE）的局限，为界面热管理提供了新视角。

　　

1 引言

超晶格因其独特的电子和声子特性在太阳能电池、超导材料和微电子器件中展现出巨大潜力。通过调控周期厚度可实现声子输运从相干区域向非相干区域的过渡，其特征是垂直热导率随周期厚度增加出现最小值。传统声子玻尔兹曼输运方程（BTE）基于粒子性框架，需引入经验性界面散射模型才能解释该最小值，而分子动力学（MD）模拟虽能预测最小值却缺乏微观机理阐释。声子维格纳输运方程（WTE）通过同时考虑声子的粒子性（布居通道κ_p）和波动性（波通道κ_c），为理解超晶格热输运提供了新框架。

2 结果与讨论

2.1 声子WTE重现最小热导率

针对Ar[N]hAr[N]（20 K）和Si[N]Ge[N]（300 K）超晶格的研究表明，WTE成功预测了热导率最小值。布居通道热导率κ_p在相干区域呈指数衰减后趋于稳定，而波通道κ_c在非相干区域线性增长，驱动总热导率上升。声子谱折叠导致群速度降低，散射率随周期厚度增加后饱和，二者共同促使κ_p下降，而频带间距缩小和散射率收敛则增强声子间线宽重叠，提升κ_c贡献。

2.2 相干输运与布居/波通道的关联

通过对比N=1和N=5的Si/Ge超晶格发现，平均自由程（MFP）大于半周期厚度（d_SL/2）的声子（相干声子）主要通过布居通道传热，而MFP小于d_SL/2的声子（非相干声子）以波通道传热为主。参与度（PR）分析表明，扩展态（高PR）声子贡献于κ_p，而局域态（低PR）声子主导κ_c。原子投影参与度（APPR）显示相干声子涉及Si/Ge原子协同振动，非相干声子则局限于单一组分。

2.3 界面振动特性及其对声子输运的影响

对Si[5]Ge[5]超晶格的局域态密度（LDOS）分析发现，界面层（第1、5、6、10层）振动谱明显偏离本征Si/Ge层（第3、8层），表明界面模式的形成。这些局域界面模式通过周期性耦合产生布洛赫相干声子，其群速度高于非相干声子，因而更易通过布居通道传热。声子色散投影显示，由界面振动驱动的相干声子分布于本征Si/Ge声子频带交界处，且在Γ–X、S–Z等高速色散区域富集。

3 结论

WTE框架成功揭示了超晶格热导率最小值的物理起源：相干声子通过布居通道传热，非相干声子通过波通道传热。界面局域振动模式是相干声子的关键载体，其高群速度特性助力高效热输运。该研究为超晶格热管理设计提供了理论新范式。

4 方法

研究采用压缩感知晶格动力学（CSLD）计算Ar/Ar和Si/Ge超晶格的二阶/三阶力常数，基于WTE分解κ_p和κ_c。参与度（PR）和投影参与度用于分析声子局域特性，LDOS表征界面振动模式的空间分布。