近日，上海交通大学密西根学院2018级直博生胡跃以第一作者身份在国际知名学术期刊《自然通讯》（Nature Communications）上发表了题为“Defect scattering can lead to enhanced phonon transport at nanoscale”（在纳米尺度下缺陷散射可以增强声子输运）的研究论文。该研究打破了人们普遍认为的杂质散射降低热输运的观点，揭示了在纳米尺度下，通过引入杂质散射来精确调控定向非平衡声子输运，实现了热输运的显著增强。
热输运的调控无论在基础科学研究还是在实际应用中都具有重要意义。通常，材料中的缺陷会引入声子（热载流子）散射现象，进而引入热阻、对热输运造成不利影响。因此，在开发低导热率材料的领域，如热电转换和热障涂层的应用中，引入缺陷成为了一种常用的策略。然而，在追求高导热率材料的领域，如在电子器件散热方面，减少缺陷散射则成为了关键，这通常通过生长高质量晶体结构或同位素提纯来实现。
此篇研究论文论证了杂质散射在纳米尺度上能够增强热输运的全新观点，并深入揭示了其背后的科学机制。研究发现，增强热输运的关键在于确保材料加热区的声子传输处于弹道传输状态，即加热区的长度需小于声子的平均自由程（微米到纳米尺度）。进一步的综合分析显示，无缺陷时的加热区出现过度的斜向传播声子非平衡，而引入缺陷则能通过缺陷散射改变声子的传播方向，从而恢复声子输运的方向平衡，最终实现热输运的增强。这种机制在广泛的温度范围、多种材料以及不同尺寸中均被验证有效。论文的研究案例表明，通过引入缺陷散射，热输运效率的增强可高达75%。
此项工作不仅将定向非平衡这一新的物理机制引入到声子非平衡输运的科学研究中，而且提供了增强热输运的新策略，为克服计算芯片、功率器件和量子芯片散热瓶颈问题提供了切实有效的解决方案。
密院2018级直博生胡跃为此篇论文的第一作者，密院2020级直博生徐家璇为本文的第二作者，普渡大学教授阮修林为本文共同作者，上海交通大学鲍华教授为本文唯一通讯作者。此外，该研究项目得到了国家自然科学基金委优青项目的资助，所有计算工作均在交大高性能计算中心的π2.0集群上完成。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47716-4
作者简介
胡跃，密西根学院2018级直博生，于2023年博士毕业，在校期间曾获得科磊奖学金，以及上海交通大学优秀毕业生称号。现就职于中国长江三峡集团有限公司，从事科技创新工作。
徐家璇，密西根学院2020级直博生，指导教师为鲍华教授。研究领域为微纳尺度非平衡导热，已发表6篇SCI论文，曾获得2023年The International Symposium on Multiscale Simulations of Thermophysics 最佳海报奖（Best Poster Award）、2022年中国工程热物理学会传热传质学术会议推荐青年优秀论文展报等。
通讯作者简介
鲍华，上海交通大学溥渊未来技术学院教授。2006年获清华大学物理学学士学位、2012年获普渡大学机械工程博士学位，之后加入交大密西根学院，历任助理教授、副教授、教授。2022年转入溥渊未来技术学院。
