[论文解读] Thermal resistance from non-equilibrium phonons at Si-Ge interface

Xun Li, Jinchen Han+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2022

Thermal properties of materials参考文献 49被引用 4

一句话总结

本研究揭示，在Si-Ge界面附近，非平衡声子的声子-声子散射主导了界面热阻，其贡献超过直接界面散射。通过使用Peierls-Boltzmann输运方程，作者证明非平衡声子分布通过三声子散射产生显著的熵和热阻，其物理根源主要为声子色散关系、态密度以及群速度的不匹配。

ABSTRACT

As nanostructured devices become prevalent, interfaces often play an important role in thermal transport phenomena. However, interfacial thermal transport remains poorly understood due to complex physics across a wide range of length scales from atomistic to microscale. Past studies on interfacial thermal resistance have focused on interface-phonon scattering at the atomistic scale but overlooked the complex interplay of phonon-interface and phonon-phonon scattering at microscale. Here, we use the Peierls-Boltzmann transport equation to show that the resistance from the phonon-phonon scattering of non-equilibrium phonons near a Si-Ge interface is much larger than that directly caused by the interface scattering. We report that non-equilibrium in phonon distribution leads to significant entropy generation and thermal resistance upon three-phonon scattering by the Boltzmann's H-theorem. The physical origin of non-equilibrium phonons in Ge is explained with the mismatch of phonon dispersion, density-of-states, and group velocity, which serve as general guidance for estimating the non-equilibrium effect on interfacial thermal resistance. Our study bridges a gap between atomistic scale and less studied microscale phenomena, providing comprehensive understanding of overall interfacial thermal transport and the significant role of phonon-phonon scattering.

研究动机与目标

• 理解非平衡声子在Si-Ge异质结界面热阻中的作用。
• 弥合原子尺度界面散射与微米尺度声子-声子相互作用在热输运中的理论鸿沟。
• 量化声子-声子散射对总界面热阻的贡献，超越传统界面散射模型。
• 识别决定非平衡效应的关键物理参数——声子色散关系、态密度以及群速度不匹配。
• 基于Boltzmann输运理论，为预测纳米结构Si-Ge系统中的热阻提供全面框架。

提出的方法

• 采用Peierls-Boltzmann输运方程（PBTE）模拟声子在Si-Ge界面处的输运行为。
• 在非平衡条件下求解PBTE，以捕捉界面附近声子分布函数的演化过程。
• 应用Boltzmann H定理，量化三声子散射过程中产生的熵。
• 分析Si与Ge之间声子色散关系、态密度以及群速度的不匹配，以解释非平衡声子的产生机制。
• 将热阻分解为界面散射与声子-声子散射的贡献，以分离主导机制。
• 通过数值模拟计算非平衡声子散射与直接界面散射所贡献热阻的相对大小。

实验结果

研究问题

• RQ1 与直接界面散射相比，非平衡声子的声子-声子散射在Si-Ge界面热阻中所占的相对贡献如何？
• RQ2 界面附近的非平衡声子分布如何影响熵的生成与热阻？
• RQ3 哪些物理参数（如声子色散关系、态密度以及群速度）决定了界面处非平衡声子的形成？
• RQ4 在热输运中，微米尺度的声子-声子相互作用在多大程度上主导了原子尺度的界面散射？
• RQ5 是否可以利用异质结构中材料特异的声子性质，普遍预测非平衡效应？

主要发现

• 非平衡声子的声子-声子散射对界面热阻的贡献显著高于直接界面散射。
• 非平衡声子分布导致显著的熵生成，其大小可通过三声子散射过程中的Boltzmann H定理进行量化。
• Si与Ge之间声子色散关系、态密度以及群速度的不匹配是非平衡声子产生的主要物理根源。
• 本研究发现，微米尺度的声子-声子散射效应在界面热阻建模中至关重要，但此前被严重忽视。
• 非平衡声子产生的热阻远大于直接归因于界面散射的热阻。
• 研究结果提供了一个可推广的框架，可利用材料特异的声子性质来估算界面热输运中的非平衡效应。