Недавно команда профессора И Хунляна из Института энергетической науки и инженерии достигла важного прогресса в исследовании фононного теплопереноса на микро- и наноуровне. Команда обнаружила новый механизм локализации низкочастотных фононов, возникающий благодаря дальнодействующей коррелированной неупорядоченности. Соответствующее исследование опубликовано в международном журнале ACS Nano под названием «Promoting Anderson Localization for Low-Frequency Phonons in SiGe Alloyed Nanowires with Long-Range Correlated Disorder» (Способствование андерсоновской локализации низкочастотных фононов в нанопроводах сплава SiGe посредством дальнодействующей коррелированной неупорядоченности).
Фононы являются основными носителями тепла в полупроводниках и изоляторах. Эффективное управление теплопереносом низкочастотных фононов является ключевой задачей для создания высокоэффективных термоэлектрических материалов и технологий теплового менеджмента на микро- и наноуровне. Однако из-за большой длины волны низкочастотные фононы трудно рассеивать обычными дефектами, поэтому их локализация в системах с точечными дефектами долгое время считалась невозможной.
Для решения этой задачи команда профессора И Хунляна с помощью метода неравновесных функций Грина систематически исследовала влияние дальнодействующей коррелированной неупорядоченности в распределении атомов в нанопроводах сплава SiGe на теплоперенос фононов.
Исследование показало, что при наличии пространственно коррелированного распределения атомов Ge теплоперенос низкочастотных фононов (с частотой ниже 2 ТГц) существенно подавляется, что приводит к снижению теплопроводности системы до 60%. Это нарушает ограничение классического закона Рэлея для рассеяния низкочастотных фононов и впервые теоретически демонстрирует возможность андерсоновской локализации низкочастотных фононов в системах с точечными дефектами.
Дальнейший анализ показал, что сильно коррелированная неупорядоченность не только приводит к переходу фононов в диапазоне 0,6–1,2 ТГц от диффузионного переноса к локализованному состоянию, но и вызывает переход баллистических фононов (ниже 0,6 ТГц) в диффузионный режим. Данное явление, индуцированное пространственной корреляцией, приводит к тому, что теплопроводность нанопровода сначала увеличивается с ростом длины, а затем уменьшается, образуя отчётливый максимум, типичный признак андерсоновской локализации.
Исследование указывает, что управление пространственной корреляцией распределения атомов в сплавах позволяет эффективно регулировать теплоперенос фононов в низкоразмерных системах, открывая новые пути для оптимизации термоэлектрических материалов, таких как SiGe, и разработки технологий наноразмерного теплового менеджмента.
Андерсоновская локализация низкочастотных фононов, индуцированная коррелированной неупорядоченностью
Харбинский политехнический университет выступил в качестве первой организации-корреспондента. Первым автором статьи является аспирантка Института энергетической науки и инженерии Чжан Вэй, а профессора И Хунлян и Сюн Шиюнь (Гуандунский промышленный университет) являются авторами-корреспондентами. В работе также принял участие профессор Го Яньюй из Института энергетической науки и инженерии.
Исследование поддержано Совместным ключевым проектом Национального фонда естественных наук Китая и другими грантами фонда.
Ссылка на статью: https://doi.org/10.1021/acsnano.5c10006