Rare Metals 大连理工大学唐大伟：XB2（X = Mg和Al）化合物的声子热输运性质：考虑量子限域效应和电声相互作用

     2023年07月10日

转载自微信公众号：【稀有金属RareMetals】

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/20f--vj9Ss3mHPO4x7UB1Q

【文献链接】

Liu, S., Chang, Z., Zhang, XL. et al. Phonon thermal transport properties of XB2 (X = Mg and Al) compounds: considering quantum confinement and electron–phonon interaction. Rare Met. (2023). 

https://doi.org/10.1007/s12598-023-02301-4

【背景介绍】

超导材料是指在超导转变温度以下电阻消失为零且排斥磁力线性质的材料。MgB2因较高的超导转变温度, 可应用于传输电导线等较多领域，而且易于合成，是理想的超导材料。其同结构材料AlB2虽超导转变温度较低，但具有高硬度、高耐磨性和优异的导电性。同时这两者的二维材料都表现出异于其体材料的超导特性，但变化趋势相反，二维MgB2(20K)相比三维MgB2(39K)超导转变温度下降，二维AlB2(26.5K)相比三维AlB2 (4K)有所上升。而且量子限域效应被证明可以提高材料的热电性质，从声子角度分析其机理具有重要意义。电声相互作用在近年的研究中被证实对晶格热导率有较大影响，比如在极性半导体GaN中，由于长波长声子存在强电声相互作用，考虑电声散射使晶格热导率下降24%-34%。由此可见，电声散射对强电声相互作用材料热导率的影响不能忽略。

 

【原文摘要】

XB2（X = Mg和Al）化合物因其优异的电子特性和在半导体和超导体中的潜在应用而备受关注。对XB2声子热输运性质的研究对其应用和机理研究具有重要意义。本工作通过第一性原理计算研究了三维和二维XB2的声子热输运特性。考虑电声相互作用后，三维MgB2和AlB2的热导率分别降低了29%和16%，与实验值一致。此外，在考虑量子限域效应时，声子热导率降低的潜在机制是声子寿命和热容的降低。更重要的是，我们发现量子限域效应与电声相互作用之间存在相关性。量子限域将改变声子和电子特性，这将对电声相互作用有影响。总体而言，我们的工作有望为考虑电声相互作用和量子限域效应的XB2化合物的声子热输运特性提供深入见解。

 

【文章亮点】

1.解决了三维XB2（X = Mg 和 Al）模拟值和实验值之间的热导率差异。

2.基于声子特性分析，阐明了量子限域效应的声子机制。

3.分析了量子限域效应与电声相互作用之间可能的相关性。

 

【内容简介】

日前，大连理工大学能源与动力学院的唐大伟教授课题组在Rare Metals上发表了题为“Phonon thermal transport properties of XB2 (X = Mg and Al) compounds: considering quantum confinement and electron-phonon interaction”的研究文章，运用第一性原理计算了三维和二维超导材料XB2的热输运性质，基于声子特性分析阐明了量子限域效应。

本工作基于XB2 (X = Mg and Al)从三维变至二维时相异的超导转变温度趋势出发，计算了四种材料的热输运性质以及电声耦合，通过考虑电声散射使得模拟热导率数值与实验值接近。另外，我们从声子角度分析了量子限域效应的机理，并从电子能带结构和声子色散关系分析量子限域效应与电声相互作用之间的关联。

 

【图文解析】

图1 (a)三维(二维)MgB2热导率随温度变化趋势；(b)三维(二维)AlB2热导率随温度变化趋势。

随着温度升高，晶格热导率减小并如图1所示。在300 K时，三维MgB2的晶格热导率沿a轴和c轴分别为21.78 W·m-1·K-1和7.38 W·m-1·K-1。考虑有效厚度的二维MgB2在300K时的晶格热导率为2.17 W·m-1·K-1。对于三维AlB2，计算出的晶格热导率沿a轴和c轴分别为15.20和7.95 W·m-1·K-1，实验值沿a轴和c轴分别为（58±8）和（115±12）W·m-1·K-1。因此我们通过Boltzwann计算了在300 K时的电子热导率。电子热导率沿a轴和c轴分别为62.09和96.2 W·m-1·K-1。对于二维AlB2，在300K时考虑有效厚度的晶格热导率为2.06W·m-1·K-1。我们发现二维XB2的晶格热导率可以与部分热电材料相媲美。

图2 (a)三维(二维)MgB2和(c)三维(二维)AlB2随频率的累积晶格热导率; (b)三维(二维)MgB2和(d)三维(二维)AlB2晶格热导率对频率的差分图。(a)和(c)的插图是0-3W/mK范围内的晶格热导率。

不像三维XB2那样，热量可以在三个方向上传递，二维XB2热量只能在平面内方向传递。因此，为了进行比较，我们只给出了图中三维和二维XB2沿a轴的晶格热导率。根据量子限域效应，晶格热导率随维度的减小而显著降低。图2a和c中，低频模对晶格热导率的频率贡献范围和贡献幅度随维度的减小而急剧减小。降维后，三维MgB2的晶格热导率降低了90%，三维AlB2的晶格热导率降低了86%。

图3 (a)三维(二维)XB2热容图；(b)三维(二维)XB2平均群速度平方图。

根据晶格动力学理论，晶格热导率主要由热容、群速度和声子寿命决定。图3中，二维MgB2的热容比三维MgB2降低了77%，二维AlB2的热容比三维AlB2降低了79%。二维MgB2和三维 MgB2的平均群速度的平方几乎没有差异。与三维AlB2相比，二维AlB2的平均平方群速度降低了23%。然而，热容和群速度之间的差异不足以揭示三维和二维XB2之间晶格热导率的差异，声子寿命的变化需要进一步分析。

图4 (a)三维(二维)MgB2的声子寿命，(c)和(e)为格林艾森参数平方和三声子散射相空间;(b) 三维(二维)AlB2的声子寿命，(d)和(f)为格林艾森参数平方和三声子散射相空间;(g)和(h)为XB2总格林艾森参数和三声子散射相空间比较图。

图4(a)和(b)显示三维XB2的声子寿命比二维XB2高一个数量级。声子寿命主要由两个要素决定：(i)声子非谐性;(ii)声子散射通道。声子非谐性质可以用格林艾森参数定性表征。模式分解和总和格林艾森参数如图4(c)、(d)和(g)。显然，由于量子限域效应，格林艾森参数显著增加。二维XB2(X = Mg和Al)的总和是三维 XB2的42.5倍和15.6倍。声子散射通道由三声子散射相空间决定。我们可以清楚地看到，图4(h)中二维XB2的总三声子散射相空间略大于三维XB2。因此，随着维度减小，增强的声子非谐性和大声子散射相空间导致声子寿命降低。

图5 (a)三维MgB2，(b)三维AlB2，(c)二维MgB2和(d)二维AlB2能带结构和电子态密度。

图 6 (a)三维（二维）MgB2色散关系；(b) 三维（二维）AlB2色散关系。

图5中有能带穿过这四种材料的费米能级，表明它们是金属材料。我们发现随着维度减小MgB2和AlB2的电声耦合常数的变化趋势相反，这可能涉及如下原因。首先，电子态密度的变化是不同的。对于三维（二维）MgB2，通过费米能级的能带会产生高电子态密度。与MgB2不同，部分能带在三维AlB2未穿过费米能级，但在二维AlB2中穿过费米能级(黑色虚线标记部分)。考虑量子限域效应时，MgB2和AlB2的电子态密度分别增加了186.9%和389%。其次，量子限域效应诱导的声子模行为不同。图6给出了三维(二维)XB2的色散关系。我们发现二维MgB2的部分声子支在高频下比三维MgB2的声子分支更硬。对于AlB2，二维低频和高频声子支比三维对应的声子支更软。特别是在伽马点，MgB2的E2g声子模从三维到二维时硬化，而在AlB2中表现出相反的趋势。

 

【全文小结】

1.考虑电声散射，通过第一性原理计算了四种材料的晶格热导率。我们解决了模拟值和实验值之间的热导率差异，并验证了在计算热导率时电声散射在费米窗口内具有高电子态密度和高电声耦合常数金属材料中的重要性。

2.由于量子限域效应，声子寿命和热容的降低导致材料晶格热导率显著降低。

3.量子限域效应与电声相互作用之间的相关性。我们发现量子限域效应会影响材料能带结构和色散关系。当考虑电声相互作用时，量子限域效应会对晶格热导率的降低幅度产生抑制效应。

 

【作者简介】

     唐大伟，教授，分别在吉林大学（1985年）、中国科学院金属研究所（1988年）和日本静冈大学（1999年）获得学士、硕士和博士学位。在静冈大学任教10年后，他加入中科院工程热物理研究所，并担任传热传质研究中心教授和主任。2016年起加入大连理工大学，任教授、能源与动力学院院长。研究方向包括新型功能材料的热物理性质评价及机理；极端条件能量输运机理；大功率电力电子、电子/光电子器件/系统先进热管理技术；燃气轮机、航空发动机及飞行器相关新型传热及热防护技术；聚光太阳能制氢、聚光光伏发电系统等方面研究及开发。主持了国家自然科学基金重点项目、重点国际合作项目、NSFC-JST重大国际合作项目、面上项目；科技部国家重大科学仪器设备开发专项项目、国家重大科学研究计划项目课题、973项目课题、863项目、国家重点研发计划子课题等。出版专著1部，著作章节4部。发表学术论文 450 余篇，其中学术期刊论文310余篇，SCI收录200篇，SCI他引4000余次，获得授权国家专利90余项。

     张晓亮，大连理工大学能源与动力学院副教授，博士生导师。主要从事微纳米尺度传热的分子动力学模拟和第一性原理计算以及材料热导率的3-omega实验测量。博士毕业于中国科学院工程热物理研究所；博士期间曾赴瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）交流学习，其后又以研究工程师身份赴新加坡国立大学（NUS）化学与生物分子工程系继续深造。博士毕业之后，曾在德国亚琛工业大学（RWTH）从事博士后研究。曾受E-MRS国际会议主办单位邀请，于2015年9月赴波兰华沙做关于“双层石墨烯热导率的非单调层间成键依赖性”的长达40分钟的邀请报告，曾于2022年3月在第32届输运现象国际研讨会（ISTP32）上做关于“热/电输运特性的压力调控”的keynote报告，曾在2021年中国工程热物理年会传热传质学术会议上做关于“材料热输运特性的基底效应研究”的特邀报告。目前已在Nano Letters, Nano Energy，Nanoscale等国际高水平SCI期刊上发表多篇文章，Google Scholar总引用两千余次，h-index27。作为负责人承担国家自然科学基金面上项目和青年项目各一项。

     高宇飞，大连理工大学能源与动力学院副教授，负责热物性模拟计算工作。2013年于哈尔滨工业大学获博士学位，2016-2017年在德国亚琛工业大学（RWTH Aachen University）从事博士后研究。目前主要从事微纳米尺度传热的分子模拟计算，研究方向包括纳米材料热输运过程中的能量转换和热控制、相变材料中多通道耦合热输运过程的标定与调控、高性能热电材料的设计与优化。主持国家自然科学基金项目两项，相关成果在Nano Energy、Carbon、Applied Thermal Engineering、Journal of Materials Chemistry A/C、Nanoscale和Journal of Physical Chemistry C等学科顶级期刊上发表。