波粒二象性是能量载流子（电子、光子、声子和粒子等）具备的客观属性。载流子的波动性输运和粒子性输运规律不同，会导致材料的电学、光学和热学等物理性质产生较大差异。因此，可以通过来改变波动性输运和粒子性输运的占比，来调控物理特性，为生产生活服务。近年来，有部分工作定量研究了电子与光子的波动性和粒子性输运，然而对于半导体和绝缘体中主要能量载流子声子的研究却非常少。

半导体材料广泛用于日常生活，研究人员一方面致力于获得超高热导率的材料，来增强集成电路等器件的散热；另一方面，也致力于寻找超低热导率的半导体热电材料，有利于提高热能/电能的转换效率。通常对半导体材料热导率和声子输运的调控手段，是分别基于声子波动性或粒子性。然而在微纳尺度，声子输运的波动性和粒子性都具有一定的贡献，因此对其的量化研究成为迫切需要解决的问题。

近日，Materials Today Physics刊发了题为“量化硅纳米结超材料中声子波动性和粒子性输运”（Quantifying phonon particle and wave transport in silicon nanophononic metamaterial with cross junction）的研究论文[Materials Today Physics 8 56 (2019)]。2016年该文作者提出了基于纳米结调控材料热导率的思路，论证了纳米结内部基于声子波动性的局域共振杂化机制[Phys. Rev. B 94, 165434 (2016)]，和同位素替换下特有的杂化破损机制[ Phys. Rev. B 98, 245420 (2018)]。在此基础上，作者提出量化硅纳米结声子超材料中的声子波动性和粒子性输运的方法。该方法基于研究粒子输运的蒙特卡洛算法，将非平衡格林函数获取的声子波动信息加入蒙特卡洛模拟计算中，通过对比分析纳米线和纳米结的热导率差异，量化硅纳米结声子超材料中的声子波动和粒子效应对热导率的影响。研究发现，虽然基于声子波动性的局域共振杂化是导致硅纳米结热导率下降的主要原因，但粒子性输运的影响同样占有一定比重。从而得出协同调控声子波动性和粒子性输运的重要性。

该工作中，华中科技大学能源与动力工程学院杨诺教授和东京大学机械学院Junichiro Shiomi教授为论文的通讯作者，华中大马登科博士和东大Arora Anuj为共同第一作者，合作者还有华中大邓世琛以及湖南科技大学谢国锋教授。

更多研究成果请参考纳米传热实验室主页

http://nanoheat.energy.hust.edu.cn

Quantifying phonon particle and wave transport in silicon nanophononic metamaterial with cross junction. Materials Today Physics 8 56 (2019)

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542529318301615