引文信息: Xiaoying Wang, Guoyu Shu, Guimei Zhu, Jian-Sheng Wang, Jun Sun, Xiangdong Ding, Baowen Li, Zhibin Gao.An interpretable formula for lattice thermal conductivity of crystals, [J]. Materials Today Physics 48, 101549 (2024).
https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2024.101549.
晶格热导率是衡量晶体在热管理方面应用潜力（如散热、隔热和热电转换等）的关键物理量。然而，精确且快速得到晶格热导率一直是一个卡脖子问题。目前，人们已经开发了诸多获得无机半导体材料热导率的方法。在理论方面，可以使用(i)声子玻尔兹曼输运方程，(ii)格林-库伯定律或傅立叶定律进行分子动力学模拟，(iii)非平衡格林函数，以及(iv)散射矩阵。在实验方面，有(I’)热桥法，(II’)拉曼光热法，(III’)3ω法，(IV’)时域热反射法等。然而，理论计算通常受到服务器机时和缺乏标准势函数的限制；实验结果的获得通常较为依赖前沿仪器设备和优良的样品质量。为了克服上述问题，科学家们提出了几种晶格热导率模型，包括广为人知的Slack模型和Debye模型，然而这些公式的形式通常较为复杂。在最近的一些研究中，机器学习方法也可以获得热导率预测公式。这些公式存在共同的缺点，即机器学习模型都不考虑物理量纲对齐，通常是一个复杂的公式和一个模糊的物理图像，物理量之间关系不明。如何不通过实验和理论计算，只通过简单的几个参数快速得到材料的晶格热导率吸引了广泛的研究兴趣。在本研究中，我们构建了一种物理图像清晰、量纲对齐且具有可解释的晶格热导率理论模型，仅通过材料的体模量、剪切模量和格林艾森参数就可以计算得到材料的热导率。近日，西安交通大学丁向东教授、高志斌副教授团队与南方科技大学李保文教授在快速预测晶格热导率的研究方面取得重要进展。该研究在Slack模型的基础上，推导出了一个包含弛豫时间近似与四阶声子散射的晶格热导率物理模型。该研究揭示了晶格热导率与剪切模量、声速以及格林艾森参数之间存在的强相关关系，并将物理原理与机器学习相融合，推导出一个既具有物理可解释性又能准确计算声子传热的理论模型，在此基础上预测了大量二元及三元材料的热导率。研究成果在探索具有极低或极高热导率特性的新型散热材料、热电材料以及制冷材料方面展现出巨大的应用潜力。上述成果以“An interpretable formula for lattice thermal conductivity of crystals”为题发表于物理学一区期刊Materials Today Physics (IF=10.0)，Mater. Today Phys. 48, 101549 (2024)。论文的通讯作者为高志斌副教授和李保文教授，第一单位为金属材料强度国家重点实验室，第一作者为西安交通大学博士生王晓莹。文章所述的模型达到了如图1所示的较高准确度（平均相对误差为8.97%）和高计算效率，能够在一分钟内预测多种无机二元、三元等多元材料的热导率。文章预测了Materials Project数据库中4601种二元材料和6995种三元材料的晶格热导率。利用CGCNN模型可以获得更多的格林艾森参数，由于高热导材料格林艾森参数的数据量较少，因此对低热导材料有更高的预测精度。该方法简化了声子工程的耗时测量和理论计算过程，并提供了对微观热输运机制的深入解析，为调控和优化材料的宏观热输运特性提供了新的途径。图1. 300 K时模型预测的热导率与ALFOW数据库（灰色的空心点）对比。紫色，青色，橙色和绿色代表实验测量得到的立方、三方、六角和正交晶系(AgCl、Al2O3、 BaO、ZnSb、Bi2Te3、CdSe、AlAs、AlN、AlP、AlSb、BeO、BN、BP、CaO、CdS、CdTe、GaAs、GaN、GaP、GaSb、Ge、InAs、InP、InSb、KBr、KCl、KI、LiH、LiF、NaBr、NaCl、NaF、NaI、PbS、PbSe、PbBr、RbCl、RbI、ZnO、ZnS、ZnSe和ZnTe)。黑色虚线是y = x的函数。左上角的插图横轴表示所有材料的空间组数量的分布，纵轴表示空间群的序列号。Xiaoying Wang, Guoyu Shu, Guimei Zhu, Jian-Sheng Wang, Jun Sun, Xiangdong Ding, Baowen Li, Zhibin Gao.An interpretable formula for lattice thermal conductivity of crystals, [J]. Materials Today Physics 48, 101549 (2024).
https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2024.101549.
