[論文レビュー] Phonon Localization in Heat Conduction

Maria N. Luckyanova, Jonathan Mendoza+10 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2016

Thermal properties of materials参考文献 48被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ランダムに配置されたErAsナノドットを有するGaAs/AlAsスーパーラティスにおける多次散乱および干渉に起因するフォノン波の局在化が、熱伝導において観測された。熱伝導率の測定と原子論的グリーン関数シミュレーションを用いて、低温において周期数を増加させると熱伝導率が単調に減少しない非単調な低下が観察された—これはアンドリュー型局在化の証拠であり、古典的拡散モデルに挑戦するものであり、ナノ材料におけるフォノン工学の新たな道を切り開く。

ABSTRACT

Departures in phonon heat conduction from diffusion have been extensively observed in nanostructures through their thermal conductivity reduction and largely explained with classical size effects neglecting phonon's wave nature. Here, we report localization-behavior in phonon heat conduction due to multiple scattering and interference of phonon waves, observed through measurements of the thermal conductivities of GaAs/AlAs superlattices with ErAs nanodots randomly distributed at the interfaces. Near room temperature, the measured thermal conductivities increased with increasing number of SL periods and eventually saturated, indicating a transition from ballistic-to-diffusive transport. At low temperatures, the thermal conductivities of the samples with ErAs dots first increased and then decreased with an increasing number of periods, signaling phonon wave localization. This Anderson localization behavior is also validated via atomistic Green's function simulations. The observation of phonon localization in heat conduction is surprising due to the broadband nature of thermal transport. This discovery suggests a new path forward for engineering phonon thermal transport.

研究の動機と目的

• 古典的サイズ効果を越えて、波動的フォノン挙動が熱輸送に果たす役割を調査すること。
• ナノ構造材料における熱伝導において、電子のアンドリュー局在化に類似したフォノン局在化が生じるかどうかを特定すること。
• 実験的測定と原子論的シミュレーションを用いて、フォノン波の局在化の存在を検証すること。
• フォノン局在化がナノ材料における熱伝導率の工学的制御に与える影響を検討すること。

提案手法

• 界面にランダムに配置されたErAsナノドットを有するGaAs/AlAsスーパーラティスの作製により、不規則性を誘導すること。
• 異なる温度で、さまざまなスーパーラティス周期数に対する熱伝導率の測定。
• 原子論的グリーン関数シミュレーションを用いてフォノン輸送をモデル化し、実験的観察を検証すること。
• 実験的熱伝導率の傾向を、拡散的および局在的輸送モデルの予測と比較すること。
• 温度依存の熱伝導率の傾向を分析し、局在化の兆候を特定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不規則なスーパーラティスにおいて、フォノン波の局在化が熱伝導で実験的に観測可能か？
• RQ2 低温におけるランダムナノドットを有するスーパーラティスの熱伝導率は、周期数の増加に伴いどのように変化するか？
• RQ3 波の干渉と多次散乱が、フォノン輸送における局在化にどの程度寄与するか？
• RQ4 シミュレーションで予測されたように、観察された挙動はアンドリュー局在化のフォノンと整合的か？
• RQ5 フォノン局在化は、熱輸送における古典的サイズ効果と区別可能か？

主な発見

• 低温において、熱伝導率は周期数の増加に伴い一時的に増加し、その後減少する傾向を示し、拡散的から局在的輸送挙動への遷移を示している。
• 低温における熱伝導率の非単調な傾向は、多次散乱および干渉に起因するフォノン波の局在化に起因するとされる。
• 原子論的グリーン関数シミュレーションによりフォノン局在化の存在が確認され、実験的結果を支持している。
• 高温では熱伝導率が飽和するが、これはバルビン的から拡散的への遷移と整合的であるが、低温では明確な局在化の兆候が観察される。
• 結果として、フォノン局在化が広帯域熱伝導においても生じることを示しており、熱伝導が常に拡散的であるという従来の仮定に挑戦するものである。