[论文解读] Hydrodynamic Phonon Transport: Past, Present, and Prospect

Sangyeop Lee, Xun Li|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2019

Thermal properties of materials参考文献 66被引用 6

一句话总结

本文综述了凝聚态系统中的水动力声子输运，涵盖其历史基础、对艾尔尔斯-玻尔兹曼方程的现代理论方法，以及碳质材料中的最新进展。文章强调了正常散射在热阻抗和第二声传播中的作用，为高热导率材料及纳米尺度热输运的未来研究方向提供了洞见。

ABSTRACT

The hydrodynamic phonon transport was studied several decades ago for verifying the quantum theory of lattice thermal transport. Recent prediction of significant hydrodynamic phonon transport in graphitic materials shows its practical importance for high thermal conductivity materials and brought a renewed attention. As the study on this topic has been inactive to some extent for several decades, we aim at providing a brief overview of the past studies as well as very recent studies. The topics we discuss in this chapter include the collective motion of phonons, several approaches to solve the Peierls-Boltzmann transport equation for hydrodynamic phonon transport, the role of normal scattering for thermal resistance, and the propagation of second sound. Then, we close this chapter with our perspectives for the future studies and the practical implication of hydrodynamic phonon transport.

研究动机与目标

• 提供对凝聚态系统中水动力声子输运过去与近期研究的全面概述。
• 重新表述并阐明声子流体动力学的基础理论，特别是正常散射在热阻抗中的作用。
• 考察求解水动态 regime 中艾尔尔斯-玻尔兹曼输运方程所采用的理论框架。
• 探讨低维材料中第二声和集体声子行为的出现机制。
• 识别声子流体动力学在热输运应用中的开放性挑战与未来研究方向。

提出的方法

• 系统性回顾艾尔尔斯-玻尔兹曼输运方程在水动态极限下的理论与计算方法。
• 分析正常（N-过程）散射在实现水动态行为和降低热阻抗中的作用。
• 应用水动态输运模型以预测具有强非谐性的材料中的第二声传播。
• 综合20世纪60至80年代的历史研究与近年来在石墨烯和石墨等二维材料中的实验与理论进展。
• 利用输运动力学理论与模式分辨模拟，以建模集体声子流动。
• 将量子晶格动力学与水动态输运模型相结合，评估纳米尺度系统中的热导率。

实验结果

研究问题

• RQ1 正常散射过程如何影响声子流体动力学中的热阻抗？
• RQ2 在何种条件下，晶体材料中会出现第二声？
• RQ3 艾尔尔斯-玻尔兹曼方程在水动态区的解如何描述水动态区中的集体声子运动？
• RQ4 在低维系统中，弹道、扩散与水动态声子输运的关键差异是什么？
• RQ5 水动态声子输运在设计高热导率材料方面的实际意义是什么？

主要发现

• 强正常散射使水动态声子输运成为可能，其通过抑制动量弛豫，实现集体流动。
• 第二声——以有限速度传播的温度波——可在声子平均自由程长且正常散射率高的材料中观测到。
• 近期研究表明，碳质材料中存在显著的水动态声子输运，导致热导率超出扩散极限。
• 艾尔尔斯-玻尔兹曼方程在水动态区的理论解揭示了非傅里叶热传导与黏性效应。
• 水动态效应在维度降低且非谐性较强的低维系统中最为显著。
• 本文指出，由于其在下一代热管理材料中的相关性，声子流体动力学正迎来新一轮研究兴趣。