通过模拟分析揭示微观尺度声子对Si-Ge界面热阻的影响

来源 | Materials Today Physics

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背景介绍

随着科技的飞速发展，电子器件逐渐朝着微型化、集成化的方向发展，因此给电子器件带来了高的功率密度，高功率密度导致了器件发热严重，如果不采取有效的手段可能会导致热失控的发生。因此热管理材料以及技术逐渐开始成为人们重点关注的方向。

热管理就是一个能量转换的过程，因此固体材料之间的界面的热传递引起了人们的极大兴趣。纳米结构器件的普及，界面热传输现象中逐渐占据更重要的作用。然而，由于复杂的物理性质和微观效应，从原子尺度到微观尺度的探究对界面热运输的原理仍然知之甚少。

随着界面密度的增加，热运输不仅取决于材料本身的特性，还取决于热界面的条件。在这些情况下，由热界面引起的热阻可能大于材料本身的热阻，并在热传递中起关键作用。但是，由于热界面周围的复杂性，如原子结构不匹配，热载体之间的相互作用等，更好地理解界面阻力仍然是最近研究工作的中心。

近年来，在界面热输运理论和模拟方面取得了许多进展，主要集中在原子尺度上的界面散射。传统的声学失配模型(AMM)和扩散失配模型( DMM)基于两种组成材料的性质来预测界面声子散射，没有考虑局部原子结构和键合强度对界面热输运的影响，存在一定的缺陷。

近期新的模拟手段，例如原子格林函数(AGF)和分子动力学(MD)模拟，克服了这些缺点，已广泛应用于各种类型的界面。虽然这些MD和AGF在原子尺度上对界面声子输运的详细机制的理解有了显著的进步，但是它们对模拟更小尺度上的能力有限，例如距离界面几微米范围内的声子-界面和声子-声子散射的联合效应。因此揭示微观尺度上声子-界面和声子-声子散射的复杂相互作用是非常重要的。

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成果掠影

近期，美国匹兹堡大学Sangyeop Lee教授团队研究了硅锗界面声子-界面散射和硅锗引线声子-声子散射对界面总热阻的综合影响。

利用动力学蒙特卡罗(MC)技术求解了半无限长Si和Ge引线界面上声子输运的稳态Peerls - Boltzmann输运方程。此外，该团队计算了声子-声子散射产生的局部熵，并定量分析了非平衡声子在界面附近散射产生的热阻。通过使用Peerls - Boltzmann输运方程表明，非平衡声子在Si-Ge界面附近的声子-声子散射产生的阻力远大于界面散射直接引起的阻力。

根据玻尔兹曼H定理，声子非平衡分布导致了声子散射时产生显著的熵和热阻。用声子色散、态密度和群速度的不匹配解释了锗中非平衡声子的物理起源，为预测非平衡声子对界面热阻的影响提供指导。该团队的工作清楚地表明，除了先前研究的原子尺度外，界面热输运还需要在微观尺度上理解。该研究弥补了原子尺度和微观尺度现象之间的差距，提供了对整体界面热运输和声子-声子散射的重要作用的全面理解。

研究成果以“Thermal resistance from non-equilibrium phonons at Si–Ge interface ”为题发表于《Materials Today Physics》。

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图文导读

图1.由两根半无限引线(黑色虚线)和有限大小的计算域(黑色实线)共享的硅锗界面(黑色虚线)示意图。

图2.300 K时PBE的MC模拟研究了Si-Ge界面的界面热输运。

图3.300 K时界面电阻的击穿显示了来自Ge侧非平衡声子的显著热阻，并与先前研究的界面电阻进行了比较。

图4.界面热阻随温度的变化示意图。

图5.(a) T = 300 K和(b) T = 600 K时，声子频率低于Ge声子最大频率和声子频率高于Ge声子最大频率时Si中的偏热流密度。

图6.PBE模拟的虚拟Si和Ge界面的界面热传输:(a) - (c) Si-Ge界面和(d) - (f) Si-Ge界面。(a、d)、(b、e)和(c、f)分别为非平衡声子的偏离温度、热通量的不对称性和局部电阻率。

图7.300 K时Si - Ge界面热阻分解图。

图8.非平衡声子的局部偏温、热通量不对称和局部电阻率分布。

图9.硅锗界面中three-phonon散射对Rneq的影响。

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