Nature Communications | “交我算”助力纳米尺度下热输运的调控研究
导读
随着微电子和纳米电子技术的发展，如何有效散热、提高热传导效率、控制热传输成为了一个重大挑战。近日，上海交通大学溥渊未来技术学院鲍华教授团队在国际知名学术期刊《自然通讯》（Nature Communications）上发表了题为“Defect scattering can lead to enhanced phonon transport at nanoscale”（在纳米尺度下缺陷散射可以增强声子输运）的研究论文。该研究打破了人们普遍认为的杂质散射降低热输运的观点，揭示了在纳米尺度下，通过引入杂质散射来精确调控定向非平衡声子输运，实际上能够实现热输运的显著增强。这项工作提供了增强热输运的新策略，为克服计算芯片、功率器件和量子芯片散热瓶颈问题提供了切实有效的解决方案。
上海交通大学密西根学院2018级直博生胡跃为此篇论文的第一作者，上海交通大学鲍华教授为本文唯一通讯作者。所有计算工作均在“交我算”平台Pi2.0集群上完成。
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缺陷散射--纳米尺度下增强热输运的新机制
热输运的调控无论在基础科学研究还是在实际应用中都具有重要意义。通常，材料中的缺陷会引入声子（热载流子）散射现象，进而引入热阻，对热输运造成不利影响。因此，在开发低导热率材料的领域，如热电转换和热障涂层的应用中，引入缺陷成为了一种常用的策略。然而，在追求高导热率材料的领域，如在电子器件散热方面，减少缺陷散射则成为了关键，这通常通过生长高质量晶体结构或同位素提纯来实现。
图1 研究系统示意图
此项研究论文论证了杂质散射在纳米尺度上能够增强热输运的全新观点，并深入揭示了其背后的科学机制。研究发现，增强热输运的关键在于确保材料加热区的声子传输处于弹道传输状态，即加热区的长度需小于声子的平均自由程（微米到纳米尺度）。进一步的综合分析显示，无缺陷时的加热区出现过度的斜向传播声子非平衡，而引入缺陷则能通过缺陷散射改变声子的传播方向，从而恢复声子输运的方向平衡，最终实现热输运的增强。这种机制在广泛的温度范围、多种材料以及不同尺寸中均被验证有效。在本文的研究案例中，通过引入缺陷散射，热输运效率的增强可高达75%。
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“交我算”助力探索缺陷散射在纳米尺度的热传输增强效应
“交我算”平台Pi2.0集群强大的计算能力为该研究提供底座支撑。鲍华教授团队利用平台部署的LAMMPS软件进行大规模的分子动力学模拟，运行自研BTE计算软件GiftBTE (bte.sjtu.edu.cn)基于离散纵标法和有限体积法对BTE进行迭代求解，并采用Tamura模型，在ALAMODE软件包上执行晶格动力学计算。“交我算”不仅能够提供易用且完善的计算环境，而且具有丰富的计算资源，大大提高了计算模拟的效率。
图2 分子动力学模拟结果
总结
本研究提出了一个颠覆传统观念的发现：在纳米尺度下，缺陷散射可以增强热输运，而不是通常认为的抑制热输运。此项工作不仅将定向非平衡这一新的物理机制引入到声子非平衡输运的科学研究中，而且提供了增强热输运的新策略，为克服计算芯片、功率器件和量子芯片散热瓶颈问题提供了切实有效的解决方案。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-47716-4
文字编辑：程雨飞、张仪方
来源：上海交大密西根学院
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图文/责任编辑：汪浩淼