纳米人-【热点专题】纳米材料热传导

【热点专题】纳米材料热传导

中国物理B 纳小二 2018-06-05

为了展现我国纳米材料热传导研究领域具有代表性的研究成果，"Chinese Physics B"(CPB)编辑部邀请段文晖、张刚两位老师作为客座编辑，组织了“Thermal and thermoelectric properties of nano materials”专题，敬请关注！

编者按

客座编辑

段文晖清华大学物理系

张刚 Institute of High Performance Computing, A*STAR, Singapore

低维系统，是指物理系统在某个或某几个维度方向上尺度与其Fermi面附近电子的de Broglie波长或激子的玻尔半径可比。典型的受限小量子系统有量子点、C60、纳米线、纳米管、准二维的超薄固体以及二维材料如单层石墨烯等。由于系统尺度小于或可比于Fermi面附近的量子相位相干长度，因此量子力学波函数的相位因子以及位相相干性将起主导作用。这是在宏观系统中不会出现的效应。科学家已经发现和正在进一步揭示低维纳米材料中，各种新的奇异的物理现象和规律。总的来讲，目前人们对低维纳米材料的电子、光子性质和相互作用研究最多。除电子和光子外，声子也是重要的信息和能量的载体，相应于固体中晶格振动的量子化。在纳米材料中，也表现出很多与宏观材料不同的声子性质。例如，对体材料，在温度趋近零温时，热导率随温度的三次方变化；而在半导体纳米线中，随纳米线直径减小，热导率随温度的依赖关系变为二次方，甚至线性依赖。此外，纳米材料热传导的一个重要特点是存在反常热传导。传统上，傅里叶定律被用来描述材料中的热传导，其核心思想是材料的热导率为一个常数，与体系的尺寸无关。这是关于热传导的基本物理定律。在宏观尺度，傅里叶定律已被大量实验和理论工作所证实。通过对碳纳米管和硅纳米线热导率的理论计算和实验研究表明，一维纳米材料热导率随长度增加而增加，即使体系的长度远大于声子平均自由程，其热导率仍然没有收敛。通过研究热脉冲的传输行为，人们已经证明这种热导率随长度变化现象的物理起源是其中的反常能量输运。这些工作指出了一维纳米体系中热传导的特殊性。

上世纪末以来，纳米材料的热输运性质吸引了大量的理论和实验研究。其中一个推动力是纳米功能器件的散热问题。当电子在固体中传输时，电子态会受到声子态的散射，从而产生能量耗散。如何将这些热量传播出去成为纳米电子学中的重要课题。此外，对材料热性质的研究也和目前广受关注的能源和环境问题密切相关。全球约90%的电能由火力发电机产生，而常用的火力发电机的效率只有30%—40%，大量的热量耗散到环境中去，造成了经济损失和环境热污染，同时加剧了二氧化碳等温室气体的排放。应用热电材料可以有效地将废热直接转换为电能，大幅提高能源的利用效率。材料的热导率即是决定其中热-电能量转化效率的关键性质之一。

中国科学家在这个领域作出了大量卓越的工作。二十世纪四十年代，黄昆先生和玻恩一起发展晶格动力学理论，以及后来被称为“黄昆方程”的一系列理论的建立，为人们从微观的原子模型研究固体的声子及热学性质奠定了理论基础，成功揭示了声学声子、光学声子，以及声学波与电磁波的耦合特性。二十世纪八十年代，以“黄朱模型”为代表的半导体超晶格声子模式理论的发展，揭开了低维体系声子性质研究的序幕，引发了一系列的理论、计算和实验研究。

经过国内外多位学者及编辑部的共同努力，《中国物理B》推出了本期“纳米材料热传导”专栏，邀请了国内外在纳米材料热传导领域活跃在第一线的科学家撰写了10篇综述文章，报道和评述纳米尺度热传导及热电效应研究的现状和最新进展，以期推动国内外在此方向的研究发展。这是国内首次对纳米尺度热传导前沿概括的重要专题，不仅对过去的发展进行了总结，也对未来发展提出了展望，希望对纳米尺度热传导及相关学科方向的科研学者有所帮助，同时促进该领域和相关交叉学科的发展。

REVIEWS

1. General theories and features of interfacial thermal transport

Hangbo Zhou(周杭波), Gang Zhang(张刚)

Chin. Phys. B, 2018, 27 (3): 034401

Abstract

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2. Thermal properties of transition-metal dichalcogenide

Xiangjun Liu(刘向军), Yong-Wei Zhang(张永伟)

Chin. Phys. B, 2018, 27 (3): 034402

Abstract

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3. Thermal conductivity of nanowires