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

非簡諧效應(yīng)對于高溫下固體中的熱傳導(dǎo)往往起著重要作用。對于晶體，非簡諧效應(yīng)通常會導(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。然而對于無定形固體，熱導(dǎo)率隨溫度的升高是單調(diào)增加的。這表明，非簡諧效應(yīng)對于無定形固體中熱傳導(dǎo)的影響與對晶體的影響機理是不同的。本文從兩個層次研究了非簡諧效應(yīng)對于無定形二氧化硅（a-SiO2）熱導(dǎo)率的影響規(guī)律和機理。首先對比了由Allen和Feldman提出的簡諧理論（AF理論）和Isaeva等提出的非簡諧理論（quasi-harmonic Green-Kubo，QHGK）對于熱導(dǎo)率計算結(jié)果的影響。進一步對比了使用簡諧振動頻率和非簡諧振動頻率對于熱導(dǎo)率計算結(jié)果的影響。AF理論是基于Kubo公式使用簡諧的熱流算子推導(dǎo)出來的；QHGK基于Green-Kubo公式使用簡諧的熱流進行推導(dǎo)，然后在計算熱流自相關(guān)函數(shù)的時候通過振動模式的線寬來考慮非簡諧效應(yīng)。

使用QHGK計算得到的熱導(dǎo)率比AF理論計算得到的熱導(dǎo)率要大；在熱導(dǎo)率計算中考慮非簡諧效應(yīng)導(dǎo)致的頻移后還會使得熱導(dǎo)率進一步增大。這表明，非簡諧效應(yīng)可以促進a-SiO2中熱量的傳遞，這一點與非簡諧效應(yīng)對于晶體材料熱傳導(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機理。對于每個振動模式的擴散率的研究表明，盡管非簡諧效應(yīng)對于局域子比對于擴散子的影響更大，非簡諧效應(yīng)導(dǎo)致的熱導(dǎo)率的升高主要是由非簡諧效應(yīng)導(dǎo)致的擴散子的擴散率的增加引起的，這是因為擴散子占了所有振動模式的90%并且擴散子的擴散率比局域子的擴散率大。不同擴散子之間的相互作用是a-SiO2中熱傳導(dǎo)的主要機理，而局域子主要通過與擴散子相互作用進行傳熱。

(a) AF理論（空心點）和QHGK（黃色的圓點）計算得到的熱導(dǎo)率對比，?是AF理論中的展寬參數(shù)，紫色的點是采用Simoncelli等提出的熱導(dǎo)率模型的計算結(jié)果，與QHGK完全一致。(b) QHGK采用簡諧聲子譜（藍線）和非簡諧聲子譜（黃線和紅線）計算得到的熱導(dǎo)率的對比，其中藍線和黃線是使用經(jīng)典的比熱容計算的結(jié)果，紅線是使用量子比熱容的計算結(jié)果，空心點是使用分子動力學(xué)模擬通過Green-Kubo公式計算得到的熱導(dǎo)率，實心點是實驗的數(shù)據(jù)。(c) 擴散子-擴散子，擴散子-局域子以及局域子-局域子交叉關(guān)聯(lián)項對于熱導(dǎo)率的貢獻。

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