作者：Xueyan Zhu(朱雪燕),?Cheng Shao(邵成)

單位：中物院高性能數(shù)值模擬軟件中心,?山東高等技術(shù)研究院

DOI：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.106.014305

非簡(jiǎn)諧效應(yīng)對(duì)于高溫下固體中的熱傳導(dǎo)往往起著重要作用。對(duì)于晶體，非簡(jiǎn)諧效應(yīng)通常會(huì)導(dǎo)致聲子的平均自由程隨溫度的升高而降低，從而使得熱導(dǎo)率降低。然而對(duì)于無(wú)定形固體，熱導(dǎo)率隨溫度的升高是單調(diào)增加的。這表明，非簡(jiǎn)諧效應(yīng)對(duì)于無(wú)定形固體中熱傳導(dǎo)的影響與對(duì)晶體的影響機(jī)理是不同的。本文從兩個(gè)層次研究了非簡(jiǎn)諧效應(yīng)對(duì)于無(wú)定形二氧化硅（a-SiO2）熱導(dǎo)率的影響規(guī)律和機(jī)理。首先對(duì)比了由Allen和Feldman提出的簡(jiǎn)諧理論（AF理論）和Isaeva等提出的非簡(jiǎn)諧理論（quasi-harmonic Green-Kubo，QHGK）對(duì)于熱導(dǎo)率計(jì)算結(jié)果的影響。進(jìn)一步對(duì)比了使用簡(jiǎn)諧振動(dòng)頻率和非簡(jiǎn)諧振動(dòng)頻率對(duì)于熱導(dǎo)率計(jì)算結(jié)果的影響。AF理論是基于Kubo公式使用簡(jiǎn)諧的熱流算子推導(dǎo)出來(lái)的；QHGK基于Green-Kubo公式使用簡(jiǎn)諧的熱流進(jìn)行推導(dǎo)，然后在計(jì)算熱流自相關(guān)函數(shù)的時(shí)候通過(guò)振動(dòng)模式的線寬來(lái)考慮非簡(jiǎn)諧效應(yīng)。

使用QHGK計(jì)算得到的熱導(dǎo)率比AF理論計(jì)算得到的熱導(dǎo)率要大；在熱導(dǎo)率計(jì)算中考慮非簡(jiǎn)諧效應(yīng)導(dǎo)致的頻移后還會(huì)使得熱導(dǎo)率進(jìn)一步增大。這表明，非簡(jiǎn)諧效應(yīng)可以促進(jìn)a-SiO2中熱量的傳遞，這一點(diǎn)與非簡(jiǎn)諧效應(yīng)對(duì)于晶體材料熱傳導(dǎo)的影響是相反的。本文的研究還發(fā)現(xiàn)，非簡(jiǎn)諧效應(yīng)導(dǎo)致的頻移是a-SiO2熱導(dǎo)率隨溫度升高的一個(gè)機(jī)理。對(duì)于每個(gè)振動(dòng)模式的擴(kuò)散率的研究表明，盡管非簡(jiǎn)諧效應(yīng)對(duì)于局域子比對(duì)于擴(kuò)散子的影響更大，非簡(jiǎn)諧效應(yīng)導(dǎo)致的熱導(dǎo)率的升高主要是由非簡(jiǎn)諧效應(yīng)導(dǎo)致的擴(kuò)散子的擴(kuò)散率的增加引起的，這是因?yàn)閿U(kuò)散子占了所有振動(dòng)模式的90%并且擴(kuò)散子的擴(kuò)散率比局域子的擴(kuò)散率大。不同擴(kuò)散子之間的相互作用是a-SiO2中熱傳導(dǎo)的主要機(jī)理，而局域子主要通過(guò)與擴(kuò)散子相互作用進(jìn)行傳熱。

(a) AF理論（空心點(diǎn)）和QHGK（黃色的圓點(diǎn)）計(jì)算得到的熱導(dǎo)率對(duì)比，?是AF理論中的展寬參數(shù)，紫色的點(diǎn)是采用Simoncelli等提出的熱導(dǎo)率模型的計(jì)算結(jié)果，與QHGK完全一致。(b) QHGK采用簡(jiǎn)諧聲子譜（藍(lán)線）和非簡(jiǎn)諧聲子譜（黃線和紅線）計(jì)算得到的熱導(dǎo)率的對(duì)比，其中藍(lán)線和黃線是使用經(jīng)典的比熱容計(jì)算的結(jié)果，紅線是使用量子比熱容的計(jì)算結(jié)果，空心點(diǎn)是使用分子動(dòng)力學(xué)模擬通過(guò)Green-Kubo公式計(jì)算得到的熱導(dǎo)率，實(shí)心點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。(c) 擴(kuò)散子-擴(kuò)散子，擴(kuò)散子-局域子以及局域子-局域子交叉關(guān)聯(lián)項(xiàng)對(duì)于熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)。

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(a) 不同溫度下的非簡(jiǎn)諧效應(yīng)導(dǎo)致的頻移（非簡(jiǎn)諧頻率與簡(jiǎn)諧頻率之差）。(b) 頻移導(dǎo)致的不同振動(dòng)模式的熱導(dǎo)率的變化。(c) 頻移導(dǎo)致的不同振動(dòng)模式的熱導(dǎo)率的相對(duì)變化。橘黃色的陰影部分是局域子，其它部分是擴(kuò)散子。