原子尺度热导率映射：迈向材料热设计的关键一步

这篇开创性研究提出了"位点投影热导率"(SPTC)方法，通过格林-库伯公式和谐波近似，实现了对非晶硅等材料中每个原子位点热传导活性的量化分析。研究不仅验证了Allen-Feldman(AF)理论框架，还揭示了热传导的"丝状结构"特征，为理解非晶材料中热输运机制提供了原子尺度新视角，对热电材料设计具有重要指导意义。

　　

原子尺度热导率映射的创新方法

这项研究开创性地提出了"位点投影热导率"(Site-Projected Thermal Conductivity, SPTC)方法，实现了在原子尺度上对材料热传导行为的精确表征。该方法基于格林-库伯(Green-Kubo)公式和谐波近似(Harmonic Approximation)，仅需力常数矩阵(Force-Constant Matrix)、动力学矩阵(Dynamical Matrix)和弛豫结构模型即可进行计算。

热传导的原子尺度解析

研究团队通过SPTC方法，成功将宏观热导率分解为原子位点的局部贡献。这种方法类似于量子化学中的"马利肯布居分析"(Mulliken population analysis)，通过热密度矩阵(thermal density matrix)的谱分解，揭示了热传导的本征通道。特别值得注意的是，热传导矩阵ΞΞ的本征值分析表明，非晶硅中的热输运主要由少数高本征值模式主导，这些模式对应着空间延展的"热传导通道"。

非晶硅的热输运机制

在4096个原子的非晶硅(a-Si)模型中，研究发现热传导呈现明显的模式分化：

• •

  传播子(propagons)：低频(0-10 meV)模式，贡献约24%热导率，空间分布均匀

• •

  扩散子(diffusons)：中频(10-56.5 meV)模式，贡献约75.9%热导率，形成空间连通的网络结构

• •

  局域子(locons)：高频(>56.5 meV)模式，贡献可忽略(约0.1%)，空间分布高度局域化

特别有趣的是，扩散子模式中识别出了"丝状结构"(filamentary structures)，这些结构中的原子平均键长(2.39 ?)明显大于低热导率区域的原子(2.30 ?)，表明键长与热传导效率存在直接关联。

力常数矩阵的空间衰减特性

研究详细分析了力常数矩阵(Force-Constant Matrix, FCM)的空间衰减行为：

• •

  ΞΞ矩阵呈现幂律衰减，衰减指数约为5.5

• •

  动力学矩阵(Dynamical Matrix)衰减更快，指数达6.7

• •

  这种快速衰减确保了SPTC计算的空间局域性，使线性标度算法成为可能

通过Lennard-Jones势的分析表明，当势能函数中排斥项的幂指数n>2时，SPTC的空间求和是收敛的，这为方法的数学严谨性提供了保证。

界面热传导的原子尺度调控

研究还将SPTC方法应用于非晶-晶体(a-c)硅界面系统，发现：

• •

  晶体区域热导率最高(SPTC≈100%)

• •

  界面过渡区域热导率逐渐降低，1-NN区域降至约53%

• •

  2-NN区域进一步降至约42%

• •

  完全非晶区域最低(约31%)

通过高斯近似势(GAP)计算的原子位点能量分析发现，热导率与局部结构有序度呈正相关，这为界面热阻的原子尺度设计提供了重要依据。

碳材料的热传导特性

在碳基材料研究中，SPTC方法揭示了有趣的现象：

• •

  富勒烯中五元环区域热导率明显降低

• •

  碳纳米管中本征六元环结构热导率均匀分布

• •

  5-8-5缺陷结构部分恢复热导率，显示拓扑缺陷的补偿效应

• •

  石墨烯中空位缺陷导致热导率显著降低(约40%)

这些发现为碳材料的热管理设计提供了原子尺度指导。

热设计的新视角

这项研究建立的SPTC框架，不仅实现了热导率的原子尺度解析，更重要的是发现了热输运与局部结构特征的直接关联。特别是：

• •

  非晶硅中热传导的丝状网络特征

• •

  界面区域热导率的梯度变化规律

• •

  拓扑缺陷对热传导的调控作用

这些发现为新型热电材料、热界面材料的设计提供了理论基础和方法学工具。未来，结合准谐近似(Quasi-Harmonic Approximation)考虑温度效应，以及探索热缺陷与电子缺陷的关联，将是极具前景的研究方向。