[论文解读] A New Formalism for Calculating Modal Contributions to Thermal Interface Conductance from Molecular Dynamics Simulations

Kiarash Gordiz, Asegun Henry|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2014

Thermal properties of materials参考文献 71被引用 3

一句话总结

本文提出了一种新颖的形式化方法，用于在分子动力学模拟中计算声子模式对热界面导热系数的贡献，明确考虑了非谐性的影响。研究发现，界面模式——尤其是局域化模式——在每种模式的导热中占主导地位，即使在10 K时，由于非谐性引起的非弹性散射也贡献了总导热系数的20%。

ABSTRACT

A new formalism for extracting the modal contributions to thermal interface conductance with full inclusion of anharmonicity is presented. The results indicate that when two materials are joined a new set of vibrational modes are required to correctly describe the transport across the interface. Among these new modes, certain classifications emerge, as most modes extend at least partially into the other material. Localized interfacial modes are also present and exhibit the highest conductance contributions on a per mode basis. The results also show that anharmonicity enables inelastic scattering at temperatures as low as 10K and inelastic processes contribute 20% of the conductance for the system studied.

研究动机与目标

• 开发一种形式化方法，从分子动力学模拟中准确提取模态对热界面导热系数的贡献。
• 在界面热输运中充分考虑非谐性的影响。
• 识别并分类对材料界面导热贡献最大的振动模式。
• 量化非弹性散射在低温下对热导率的贡献。
• 揭示在两种材料接触时出现的新型界面模式。

提出的方法

• 该形式化方法利用分子动力学模拟的时间序列数据，计算振动态密度和各模式特定的能量通量。
• 将总界面导热系数分解为单个振动模式的贡献，包括界面模式和体材料类似模式。
• 通过原子位移和能量传递动力学的完整时间演化，包含非谐效应。
• 通过分析空间扩展范围和界面两侧的耦合性，识别局域化界面模式。
• 通过追踪模式间非守恒的能量传递，量化非弹性散射的贡献。
• 通过加权适当的分布函数对各模式特定能量通量进行积分，计算导热系数。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些振动模式主导了材料界面的热导率，它们与体材料模式有何不同？
• RQ2 非谐性如何影响低温下非弹性散射对界面导热的贡献？
• RQ3 在两种材料接触时，新界面模式的出现程度如何？
• RQ4 在导热贡献上，局域化模式与离域化模式中哪种类型占主导？
• RQ5 在存在非谐性的情况下，非弹性散射对总导热系数的定量贡献是多少？

主要发现

• 在界面处出现了一组新的振动模式，这对准确描述界面热输运至关重要。
• 局域化界面模式每模式的导热贡献最高，表明其在能量传递中起主导作用。
• 非谐性使非弹性散射过程成为可能，其在所研究体系中贡献了总热导率的20%。
• 即使在10 K时，非弹性散射仍具有显著影响，表明低温下非谐效应不可忽略。
• 延伸至两种材料的离域化模式也作出了显著贡献，但每模式的贡献低于局域化界面模式。
• 该形式化方法成功捕捉了界面声子的完整非谐行为，克服了谐近似方法的局限性。