在材料科学领域，热管理一直是关键问题之一。无论是电子设备的散热，还是热电材料的能量转换效率提升，都离不开对热传导特性的精准调控。而声子，作为晶格振动的量子化表现形式，是热传导的主要载体。因此，深入理解并高效评估声子的热传导特性，对于材料的热设计和热管理具有极其重要的意义。近期，同济大学任捷团队在Frontiers of Physics (Beijing)发表一项关于快速评估声子寿命和热导率的研究，它或许能带来新的思路和方法。

【研究背景】突破热导率计算瓶颈的双参数模型

声子作为晶格振动的准粒子，其传播是材料热导率的主要来源。热导率是衡量材料热传导能力的关键物理量，在热能控制和管理中扮演着重要角色。高热导率材料可用于提高散热性能，而低热导率材料则在热电材料和器件中有着广泛应用。声子寿命对热导率的确定至关重要。在非简谐晶体中，声子之间的相互作用导致声子散射，使声子寿命衰减，从而降低热导率。因此，快速准确地评估由非简谐性决定的声子寿命，对于理论探索热功能材料至关重要。

本文提出了一种基于多体声子气体理论的快速评估方法，用于计算考虑了三声子散射的声子寿命。在高温极限下，声子散射率主要由格林艾森参数的平方和三声子散射的相空间大小决定，这两个参数都可以从非谐声子的性质中快速推导出来。通过第一性原理计算的高通量评估，该方法与实验数据表现出良好的一致性，有望在探索目标热导率材料筛选中发挥重要作用，提升对声子非简谐性表征的能力，进而增强预测性能。

【研究解析】从理论建模到实验验证的完整体系

1. 三声子散射过程

从声子气体模型的角度来看，材料的热导率取决于每个声子模式的热容、群速度和弛豫时间。在考虑声子-声子相互作用时，不同数量的声子参与散射过程。为了平衡计算效率和准确性，本文主要考虑三声子散射过程。在能量和准动量守恒的条件下，三个声子相互作用，其中一个衰变产生另外两个，反之亦然。这种过程涉及到正常和反常过程。

2. 推导声子寿命和热导率

基于单模弛豫时间近似，声子寿命是三声子散射过程中声子散射率的倒数。通过费米黄金法则，可以计算出三声子散射过程中的总声子散射率。在高温极限下，通过对玻色-爱因斯坦分布的近似处理，结合格林艾森模型，可以将声子散射率与格林艾森参数和相空间大小联系起来。最终，得到了考虑所有声子模式和频率的热导率表达式，该表达式直接将影响材料热导率的声子谐波和非谐波物理量联系起来。

3. 第一性原理结果与讨论

基于上述理论模型，本文通过第一性原理计算，利用维也纳从头算模拟包（VASP）和投影增强波（PAW）方法，计算了材料的几何优化、自洽能量以及声子色散、二阶力常数等物理量。通过对63种结构的高通量计算，包括三角晶系、六方晶系和立方晶系，将理论模型预测的热导率与实验值进行比较，结果显示两者具有良好的一致性，皮尔逊相关系数达到0.95。此外，与Slack模型相比，本文模型在预测热导率方面表现出更高的准确性，尤其是在三角晶系中，皮尔逊相关系数从0.75提高到0.87。这表明，本文模型通过引入相空间大小，能够更准确地评估材料的声子非简谐性，从而提高对热导率的预测能力。

【结论与展望】开启声子工程的新范式

本文开发了一种基于多体声子气体理论的理论模型，用于快速准确地评估由三声子散射引起的声子寿命。通过考虑格林艾森参数的平方和三声子散射的相空间大小，该模型能够更准确地预测材料的热导率。与Slack模型相比，本文模型在预测热导率方面表现出更高的准确性，并且能够更好地评估声子的非简谐性。这一研究为快速评估热导率提供了一种有效方法，有助于未来针对特定热导率目标的材料探索。

总之，这项研究不仅在理论上取得了突破，更为实际应用开辟了新的道路。通过这种快速评估方法，我们可以更高效地筛选出具有特定热导率的材料，无论是追求高热导率以提升散热性能，还是寻找低热导率以优化热电转换效率，都能从中受益。

全文下载：

RESEARCH ARTICLE

Fast evaluating phonon life time and thermal conductivity determined by Grüneisen parameter and phase space size of three-phonon scattering

Yi Wang, Shenshen Yan, Xi Wu, Jie Ren

Frontiers of Physics, 2025, 20(1): 014212

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