纳米结构中模式分辨的第一性原理热导率高效计算
材料科学
2021-06-08 v2 介观与纳米尺度物理
摘要
均匀材料中热输运的第一性原理计算已具备显著的预测能力。然而，对纳米结构中的声子输运进行确定性建模带来新的挑战；尤其需要注意的是，这需求解与离散布里渊区波矢及偏振的组合数同样多的代数方程。我们证明，在玻尔兹曼输运方程 (BTE) 的弛豫时间近似内，该问题可通过在矢量声子平均自由程 (MFP) 空间插值声子分布得以解决。结构与该模式分辨热输运之间的耦合通过角分辨体热导率与声子抑制函数加以研究，后者主要关联于材料的几何形状。我们称此方法为各向异性 MFP-BTE (aMFP-BTE)，其可在不考虑声子支数与波矢数量的情况下对纳米材料热导率进行快速准确计算。此外，它天然融合第一性原理热输运计算，从而实现多尺度、无参数模拟。我们将 aMFP-BTE 应用于计算多孔硅膜的模式分辨有效热导率，相较无插值情形实现最高 50 倍加速。所提方法开启了新型纳米结构工程，在热电与热管理方面有应用价值。
引用
@article{arxiv.2105.08181,
title = {Efficient calculations of the Mode-Resolved ab-initio thermal Conductivity in nanostructures},
author = {Giuseppe Romano},
journal= {arXiv preprint arXiv:2105.08181},
year = {2021}
}