聲子晶體:表面散射

2021-01-19 npj計算材料學

聲子表面散射過程可以解釋聲子晶體的超低熱導率。二維矽聲子晶體因其孔的周期性排布能顯著降低熱導率，因而有望應用於熱電領域。來自中國湖南科技大學、湘潭大學的謝國鋒教授以及新加坡高性能計算研究所的張剛教授等，基於納米結構表面的鍵序缺陷，引入聲子散射機制為實驗數據構建了模型。由於表面原子的鍵長變短鍵能變強，所以對晶格振動系統的勢能產生了微擾，並抑制了高頻聲子。同時，低頻聲子被經典邊界散射機制所抑制。作者認為是這兩種機制導致了超低熱導率，並預測可通過讓聲子晶體中的孔壁粗糙化來進一步降低熱導率。該文近期發表於npj Computational Materials 4: 21 (2018);   doi:10.1038/s41524-018-0076-9。

Editorial Summary原文

Phononic crystals: Surface scattering

A phonon scattering process on the surface of phononic crystals can explain their ultra-low thermal conductivity. Two-dimensional silicon phononic crystals are promising for thermoelectric applications, as the periodic arrangement of holes allows for significant reduction of their thermal conductivity. A team from Hunan University of Science and Technology and Xiangtan Universities in China, and the Institute of High Performance Computing in Singapore, manage to model the values reported experimentally by incorporating a phonon scattering mechanism, rooted to the bond imperfection on the surface of the nanostructure. As the bonds towards the surface grow shorter and therefore stronger, they perturb the local potential, and suppress the high-frequency phonons. Low-frequency phonons, on the other hand are suppressed by normal boundary scattering. The authors conclude that these two actions lead to the ultra-low thermal conductivity values, and predict that further reduction can be achieved by roughening the hole walls in the phononic crystal.

原文Abstract及其翻譯

Ultra-low thermal conductivity of two-dimensional phononic crystals in the incoherent regime （二維聲子晶體在非相干態下的超低熱導率）

Guofeng Xie, Zhifang Ju, Kuikui Zhou, Xiaolin Wei, Zhixin Guo, Yongqing Cai & Gang Zhang

Abstract Two-dimensional silicon phononic crystals have attracted extensive research interest for thermoelectric applications due to their reproducible low thermal conductivity and sufficiently good electrical properties. For thermoelectric devices in high-temperature environment, the coherent phonon interference is strongly suppressed; therefore phonon transport in the incoherent regime is critically important for manipulating their thermal conductivity. On the basis of perturbation theory, we present herein a novel phonon scattering process from the perspective of bond order imperfections in the surface skin of nanostructures. We incorporate this strongly frequency-dependent scattering rate into the phonon Boltzmann transport equation and reproduce the ultra low thermal conductivity of holey silicon nanostructures. We reveal that the remarkable reduction of thermal conductivity originates not only from the impediment of low-frequency phonons by normal boundary scattering, but also from the severe suppression of high-frequency phonons by surface bond order imperfections scattering. Our theory not only reveals the role of the holey surface on the phonon transport, but also provide a computation tool for thermal conductivity modification in nanostructures through surface engineering.

摘要 二維矽聲子晶體因其可重複的低熱導率和優良電性能，在熱電應用領域引起了廣泛的研究興趣。工作在高溫環境下的熱電器件，相干聲子的幹涉效應受到強烈抑制，因此非相干的聲子輸運機制對於調控熱導率是非常重要的。本研究在微擾理論的基礎上，從納米結構表面鍵序缺陷的角度出發，提出了一種新的聲子散射過程。將這種頻率強依賴性散射率納入聲子玻爾茲曼輸運方程，理論計算重現了多孔矽納米結構的超低熱導率實驗值。我們發現，熱導率的顯著降低，不僅源於經典邊界散射對低頻聲子的阻礙，還源於表面鍵序缺陷散射對高頻聲子的嚴重抑制。我們的理論不僅揭示了多孔表面對聲子輸運的作用機制，還為表面工程調控納米結構的熱導率提供了計算工具。

微信分享

相關焦點

  • 聲子晶體- 2018 Nature 外爾晶體中聲表面波的拓撲負折射
    小熊貓多年來一直關注於人工帶隙材料的理論研究，尤其在光子晶體、聲子晶體能帶計算方面頗有建樹，發表了多篇不錯的論文。貓哥為人色而不淫，黃而不奸，一直是模數哥的role model。有意購買此原模型的朋友請直接聯繫我，或者加入我們的QQ群366619650，尋找小熊貓。
  • 利用聲子晶體能帶工程,實現聲表面波慢波器件
    在這一研究中，該團隊在常見的、基於鈮酸鋰（LiNbO3）基底的聲表面波系統中，系統地分析了由「微型諧振子陣列」構成的聲表面波聲子晶體在幾種常見高對稱性下的能帶特徵，如圖1所示。這種聲表面波聲子晶體將支持兩類模式：（一）類似Rayleigh波的表面波對稱（S0）模式，能量主要集中於基底，部分存在於表面「微型諧振子」內部；以及（二）局域共振（Local Resonant, LR）模式，能量絕大多數集中於表面「微型諧振子」內部。如圖2所示。
  • 聲子晶體中的聲谷態輸運
    類比於原子構成的微觀晶體，這些人工結構被稱為光子晶體或聲子晶體。其主要特點在於，當波長和結構周期可比擬時，在其中傳播的經典波會發生強烈的布拉格散射，從而產生頻率帶隙。通過在這些人工晶體中引入點、線、面缺陷，人們發現了各種缺陷態、波導態，從而實現對經典波的過濾以及受限傳播等。與此同時，周期結構的散射導致通帶的性質也顯著不同於均勻介質，從而產生大量新奇的光、聲傳播特性，例如負折射、零折射效應等。
  • 量子聲學新進展：利用聲子晶體，簡化混合聲動力裝置結構
    微波光子激發一個人造原子(量子比特)，原子又將聲子轉化為聲子晶體。(b)樣品示意圖。電磁波通過共面傳輸線傳播，並與被塑形為transmon的人造原子相互作用。量子比特並聯電容由Np = 140個相同的電極對(金屬條)組成。相應的機械基板表面振蕩以顏色梯度形式表示。(c)樣品的顯微照片。圖中所示為聲子晶體與SQUID薄結構。
  • Nature物理:武大首創聲子晶體的谷輸運, 實現無障礙傳輸
    能谷態不僅廣泛出現於常規半導體材料中，也存在於當下熱門的二維晶體中，如石墨烯、二硫化鉬等。當不等價谷間的電子散射很弱時，谷指數成為描述電子運動狀態的好參量。如同自旋電子學中的自旋自由度，谷自由度也可視為一種新的信息載體並用於設計新型電子器件，這促成新興的谷電子學。最近，人們已經理論預測和實驗觀察到許多令人興奮的谷態輸運特性，如谷霍爾效應等。
  • 科學家發表二維過渡金屬硫族化合物材料聲子和拉曼散射綜述論文
  • 【材料】二維Nb2C的奇異電子-聲子散射及其誘導的晶格熱導下降
    在大多數材料中，電子聲子散射(e-p)遠遠弱於聲子-聲子（p-p）散射，並且電子-聲子散射的強度通常正比於電子-聲子耦合強度。
  • npj:清華大學-南卡萊納大學聯手模擬—發現位錯聲子散射
    但是人們對於位錯降低熱導的原因即位錯對於聲子（半導體中主要的熱載流子）的散射的理解，卻只是基於Debey-Callway 模型半經驗的公式。 來自清華大學的材料學院的徐賁助理教授和美國南卡羅萊納大學的胡明教授共同領導的團隊，使用非平衡分子動力學方法研究了PbTe中單個位錯和聲子的散射過程。
  • 發明新型聲子晶體微量液體傳感器
    本報訊（見習記者丁寧寧）近日，中國科學院深圳先進技術研究院醫工所超聲研究團隊在聲波液體傳感器領域取得重要研究進展，發明了一種新型聲子晶體高精度微量液體傳感器
  • 深圳先進院發明新型聲子晶體微量液體傳感器
    近日，中國科學院深圳先進技術研究院醫工所超聲研究團隊在聲波液體傳感器領域取得研究進展，發明了一種新型聲子晶體高精度微量液體傳感器。　　在前期的理論研究中，團隊發現狹縫聲子晶體結構共振時能夠將能量局限在遠小于波長的狹縫空間（J. Acoust. Soc. Am. 137, 1251-1256, 2015）。在該研究中，通過進一步理論設計和聲子晶體傳感器實驗證實，該狹縫聲子晶體系統可用於對微量液體的聲速和密度進行同時傳感，且當液體聲速和密度變化趨勢相反時，該傳感器靈敏度最高。
  • 武大:在狄拉克半金屬中,實現三維聲子,為控制聲音開闢新方式!
    現在我們中國的科學家發表了一項實驗觀察到的狄拉克點，這些點完全是由使用非對稱聲子晶體的晶體對稱性加強，在實驗中展示了新的拓撲表面態，發現物質的新拓撲態已成為基礎物理和材料科學的重要目標。該晶體在布裡淵帶角擁有對稱性增強的狄拉克點，與現有DSM明顯不同的是，Dirac點出現是材料非對稱空間群的必然結果，如果不改變晶體的對稱性，這種空間群是不可能被移除的。除了通過角度分辨透射測量直接識別的狄拉克點之外，表面測量和相關的傅立葉光譜還揭示了高度複雜的四螺旋面表面態。
  • 中國科大首次實現基於布裡淵散射聲學聲子的單向光信息存儲
    近日，中國科大郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室董春華研究小組與鄒長鈴博士後首次在介質微腔內實現了基於布裡淵散射聲學聲子的光信息存儲，存儲壽命可達十幾微秒。此成果2015年2月4日在線發表在Nature Communications上[Nature Communications 6, 6193 (2015)]。
  • 【知識拓展】電子局域化和聲子泊肅葉流
    二、擴散態與局域態擴展態：具有嚴格周期性格點排列的晶體，電子運動是公有化的，其Bloch波函數擴展在整個晶體中，這種態被稱為擴展態。局域態：如果存在隨機的無序雜質，晶格的周期性被破壞，此時電子波函數不再擴展在整個晶體中，而是局域在雜質周圍，在空間中按指數形式衰減，這種態稱為局域態。
  • 進展|金屬玻璃中類聲子屬性研究進展
    實驗觀測發現，該無序材料中亦存在類周期性晶體材料中聲子動力學屬性的原子振動模式，既橫縱聲學模，但無光學振動模。進一步地，實驗上首次把橫聲學支聲子從具有色散的高頻橫縱混合聲子態密度中分離出來(圖一)，證實了非晶中高頻橫聲學支聲子的存在。分子動力學模擬發現，非晶材料中橫聲學支聲子半峰寬與靜態結構因子之間存在普適的正相關關係(圖二)，表明橫聲學支聲子在理解非晶材料的結構性能關係中扮演至關重要的作用。
  • 光子、聲子以及時間晶體
    一、光子晶體（photonic crystal）光學的類比就是光子晶體，光子的行為可由麥克斯韋方程來描述，來看電動力學和量子力學的對比引入周期性的permitivity其中給定permitivity和邊界條件就可以求出光子晶體的能帶結構
  • 進展 | 金屬玻璃中類聲子屬性研究進展
    聲子是晶格集體振動的元激發。上世紀30年代人們通過引入這一量子化概念建立的晶體材料中晶格振動的動力學理論，成功地解釋了很多相關的物理性質與物理現象，如固體的比熱、電阻、BCS超導機制等。另一方面，自然界中還存在大量原子長程排列無序的非晶態固體，其原子的無序排列造成了空間平移對稱性破缺，人們對它的動力學屬性認知非常有限。非晶態的原子振動模式是怎樣的？是否存在高頻聲子？是否存在橫聲學支聲子？
  • 「聲子液體」優化熱電性能
    審稿人對該文給予高度評價，認為其拓展了已有的「聲子玻璃—電子晶體」概念至「聲子液體—電子晶體」，為熱電材料的研究方向提供了新的可能性。 史迅介紹說，熱電轉換技術利用半導體材料的塞貝克（Seebeck）效應和帕爾貼（Peltier）效應實現熱能與電能直接相互轉化，在工業餘熱和汽車尾氣廢熱發電等領域具有重要而廣泛的應用。
  • 聲拓撲-2017 Nat.Phys.聲子晶體中的拓撲谷傳輸(一)
    本文導讀：1，聲子晶體中的谷態；2，聲子晶體谷態的激發；3，聲子晶體谷拓撲投影能帶；4，
  • Small Methods: 二維各向異性黑磷晶體的晶格振動與拉曼光譜綜述
    拉曼光譜是一種表徵材料結構與成分的指紋識別光譜，具有方便、快速和無損等特點，在二維納米材料的表徵中具有廣泛的應用，可用來鑑定二維納米材料的層數、邊緣類型、堆垛結構、缺陷、摻雜類型和層間作用力等；同時，拉曼光譜還可以用來研究晶體中光子與電子相互作用和電子與聲子相互作用。
  • ...納米分辨的散射型近場光學顯微技術最新研究進展與應用
    Ma等在Nature報導了範德瓦爾斯材料α-MoO3 中的面內雙曲聲子極化激元的重要發現。2020年6月，G.W. Hu等在此基礎上通過理論預測並在實驗上證實了雙層旋轉範德瓦爾斯材料α-MoO3體系，可以實現由轉角控制的聲子極化激元從雙曲到橢圓能帶間的拓撲變換。在這個變換角附近，光學能帶變成平帶，從而實現激元的直線無衍射傳播。