[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究通过在GaAs/AlAs超晶格中引入随机分布的ErAs纳米点，揭示了由于多重散射和干涉导致的声子波局域化现象，从而在热传导中表现出声子局域化。结合热导率测量与原子级格林函数模拟，作者发现随着超晶格周期数的增加，低温下热导率呈现非单调下降趋势——这为类似安德森局域化的现象提供了证据，挑战了经典扩散模型，并为纳米材料中的声子工程开辟了新途径。

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.

研究动机与目标

• 研究波函数行为的声子在热输运中的作用，超越经典尺寸效应的影响。
• 确定声子局域化（类似于电子安德森局域化）是否可在纳米结构材料的热传导中发生。
• 通过实验测量与原子级模拟验证声子波局域化的存在。
• 探讨声子局域化对纳米材料中热导率工程的潜在影响。

提出的方法

• 在界面处制备具有随机分布ErAs纳米点的GaAs/AlAs超晶格，以引入无序性。
• 在不同温度下测量不同周期数的超晶格的热导率。
• 利用原子级格林函数模拟方法建模声子输运，并验证实验观测结果。
• 将实验测得的热导率趋势与扩散输运和局域输运模型的预测结果进行比较。
• 分析温度依赖的热导率趋势，以识别局域化的特征信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在无序超晶格的热传导中实验观测到声子波局域化？
• RQ2 在低温下，具有随机纳米点的超晶格的热导率如何随周期数变化？
• RQ3 波的干涉与多重散射在声子输运中导致局域化的程度如何？
• RQ4 所观测到的行为是否与模拟预测的声子安德森局域化一致？
• RQ5 声子局域化能否与热输运中的经典尺寸效应区分开来？

主要发现

• 在低温下，随着超晶格周期数的增加，热导率先上升后下降，表明输运行为从扩散型向局域型转变。
• 低温下热导率的非单调趋势可归因于多重散射与干涉引起的声子波局域化。
• 原子级格林函数模拟证实了声子局域化的存在，支持了实验结果。
• 在高温下热导率趋于饱和，与弹道-扩散转变一致，但在低温下表现出明显的局域化特征。
• 结果表明，声子局域化可在宽带热输运中发生，挑战了热输运始终为扩散过程的传统假设。