声子安德森局域化与共振在Si/Ge超晶格纳米线中的协同效应：迈向更低的热导率

《The Journal of Physical Chemistry C》：Synergistic Effects of Phonon Anderson Localization and Resonance in Si/Ge Superlattice Nanowires: Toward Lower Thermal Conductivity

研究通过引入不规则的界面和共振柱，调控硅/锗超晶格纳米线的热传导。发现单独应用Anderson局域化或声子共振可分别降低热导率55.6%和39.7%，二者协同作用使热导率降低62.6%。分析表明Anderson局域化主要影响1.5-3.5 THz中低频声子，而声子共振作用于0-2.2 THz低频段，通过协同阻碍不同频段声子实现超低热导率。新发现为波特性调控材料热传导提供理论依据。

　　

操控热功能材料中的热传递具有重要意义，这些材料在热电学、热管理装置、隔热材料以及热二极管等领域有着广泛的应用。由于声子的波动性质，通常采用安德森局域化和声子共振这两种方法来影响纳米结构中的声子传播。在这项研究中，我们研究了含有非周期性界面和共振柱的Si/Ge超晶格纳米线中的热传输现象，其中同时引入了安德森局域化和声子共振。在具有非周期性界面的超晶格纳米线中，热导率最初随纳米线尺寸的增加而增大，随后减小，这表明当存在足够多的随机界面时会发生声子安德森局域化现象。在纳米线长度为109纳米时，由于安德森局域化导致的热导率降低幅度达到了55.6%。另一方面，通过共振柱引入声子共振后，相同长度纳米线的热导率降低了39.7%。安德森局域化和声子共振的共存使得热导率降低了62.6%，这一降幅更为显著。此外，我们发现安德森局域化主要影响中低频范围（1.5–3.5 THz）的声子，而声子共振则影响低频范围（0–2.2 THz）的声子。这两种方法共同作用，阻碍了不同频率的声子传播，从而实现了极低的热导率。我们的研究结果为通过声子的波动性质调控材料的热导率提供了新的见解。