纳米结构中非谐声子-声子散射的量子力学建模

随着半导体纳米电子学特征尺寸缩小至几纳米尺度，相干量子效应在散热瓶颈中变得日益重要。然而，对于具有破缺平移对称性的极小纳米结构中的非谐声子-声子散射，其量子力学模型仍不明确。在与实际应用相关的尺度上正确模拟包含非谐散射的量子热输运是一项长期的挑战性任务。在本文中，我们通过图解微扰展开以及对调和项与非谐项引入傅里叶表示，给出了适用于一维和三维纳米结构的非谐声子非平衡格林函数（NEGF）形式的清晰理论表述。我们开发了一个以第一性原理力常数为输入、用于大规模量子热输运模拟的并行计算框架。我们研究了数值实现中的一些关键近似，以在数值精度与效率之间确保平衡。通过对硅薄膜跨平面热输运建模，展示了非谐声子 NEGF 形式与计算框架的定量验证。结果表明，即便膜厚约 10 nm，声子-声子散射也不可忽略，并在室温下使热导率降低约 20%。本方法为器件量子热建模以及纳米声子晶体中从相干到非相干热输运的转捩研究提供了稳健平台。因此，该工作为理解和利用声子的波动性质调控热传导铺平了道路。