表面聲子模式主導(dǎo)的極性材料間極近場熱傳遞的晶體取向依賴性

論文信息：

Wei-Zhe Yuan,Yangyu Guo,Hong-Liang Yi, Crystal Orientation Dependence of Extreme Near-Field Heat Transfer between Polar Materials Governed by Surface Phonon Modes, arXiv:2509.13837,(2025).

論文鏈接：https://doi.org/10.48550/arXiv.2509.13837

研究背景

近年來，隨著微納制造技術(shù)和電子器件的快速發(fā)展，在輻射與熱傳導(dǎo)之間的過渡區(qū)域——特別是真空間隙小至數(shù)納米的極端近場條件下——熱傳遞機(jī)制的研究變得尤為重要。該領(lǐng)域已有研究指出，非局域光學(xué)響應(yīng)和聲子隧穿效應(yīng)對熱輸運(yùn)具有顯著影響，然而，晶體取向?qū)@一過程的調(diào)控機(jī)制仍不明確。尤其對于極性材料如氧化鎂（MgO），其表面聲子模式與體材料存在顯著差異，且在極端近場條件下可能主導(dǎo)能量傳遞行為。盡管已有不少研究關(guān)注晶體各向異性對界面熱輸運(yùn)的影響，但在亞納米真空間隙中，取向如何通過表面晶格振動影響熱導(dǎo)，仍是一個尚未深入探索的關(guān)鍵問題。理解這一機(jī)制，不僅有助于揭示近場熱傳遞的物理本質(zhì)，也對電子器件熱管理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。

研究內(nèi)容

本研究聚焦于極性材料在極端近場條件下的熱輸運(yùn)行為，重點探討晶體取向?qū)鳠徇^程的調(diào)控機(jī)制及其物理起源。以氧化鎂（MgO）這一典型的離子晶體為研究對象，采用非平衡分子動力學(xué)（NEMD）模擬結(jié)合格林-久保方法計算介電響應(yīng)，系統(tǒng)分析了在亞納米至納米級真空間隙中，熱流隨晶體取向、間隙尺寸與振動模式的演化規(guī)律。研究不僅揭示了表面聲子模式在能量傳遞中的主導(dǎo)作用，還明確了連續(xù)介質(zhì)理論在原子尺度下的適用界限，為極端近場熱管理技術(shù)的開發(fā)提供了重要的理論依據(jù)。

在極端近場條件下，熱傳遞機(jī)制呈現(xiàn)出豐富的物理內(nèi)涵。當(dāng)兩介質(zhì)間隙縮小至數(shù)埃米時，傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場輻射理論已不再適用，此時需同時考慮倏逝波隧穿、聲子傳遞及電子躍遷等效應(yīng)。對于MgO這類極性電介質(zhì)，其聲子極化激元與電磁場的強(qiáng)耦合行為尤為關(guān)鍵。已有研究表明，在極小間隙下，非局域介電響應(yīng)和聲子隧穿效應(yīng)顯著，但晶體結(jié)構(gòu)與表面原子排列的影響尚未得到系統(tǒng)研究。本文通過構(gòu)建沿[100]、[110]及[210]晶向的MgO–MgO間隙模型，在嚴(yán)格弛豫原子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上展開NEMD計算，提取量子修正后的熱導(dǎo)與頻譜傳遞函數(shù)，進(jìn)而分析不同晶向所導(dǎo)致的聲子態(tài)密度分布與界面振動特性的變化。

圖1. 間隙尺寸為d的MgO-MgO納米間隙的NEMD模型示意圖:(a) 固定層和恒溫層的長度分別為Lf 和Lth，而納米間隙一側(cè)的器件區(qū)域長度為Ld。具有晶體取向的原子模型示意圖:(b)[100],(c)[110]和(d)[210]。藍(lán)色和紅色原子分別表示 Mg2+和O2-離子。陰影區(qū)域表示提取局部振動密度態(tài)的區(qū)域(標(biāo)記為L1、L2、L3和L4)。間隙尺寸是表面原子中心之間的距離。

模擬結(jié)果顯示，熱導(dǎo)在極小間隙下（約5?）具有顯著的晶體取向依賴性。具體而言，[100]取向的體系表現(xiàn)出最高的熱導(dǎo)，較[110]和[210]高出約30%，而后兩者熱導(dǎo)水平接近。這一差異源于表面原子排布的不同：[100]晶面為極性表面，呈現(xiàn)交替分布的Mg2?和O2?離子，具有明顯的電荷起伏與更強(qiáng)的長程庫侖相互作用；而[110]表面則由電中性的原子對構(gòu)成，其表面偶極矩較低，聲子激發(fā)與耦合機(jī)制因此有所不同。[210]表面結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，其非對稱性進(jìn)一步抑制了聲子的橫向傳輸。值得注意的是，隨著間隙增大，取向依賴性迅速減弱；當(dāng)間隙超過6?時，三者的熱導(dǎo)趨于一致，說明在較大尺度下宏觀連續(xù)介質(zhì)理論重新占主導(dǎo)，局域原子細(xì)節(jié)的影響被逐漸抹平。

圖2. 通過非平衡分子動力學(xué)模擬得到的不同晶體取向的MgO-MgO納米間隙熱導(dǎo)率與間隙尺寸d的關(guān)系，在300K下。帶有誤差條的藍(lán)色、綠色和紅色方塊表示不同晶體取向的當(dāng)前結(jié)果。

對頻譜熱導(dǎo)的深入分析進(jìn)一步揭示出聲子隧穿的能量分布與表面模式的緊密關(guān)聯(lián)。在5?間隙下，頻譜熱導(dǎo)覆蓋了整個聲子頻譜（0–25THz），既包含來自體材料聲子色散關(guān)系的貢獻(xiàn)，也出現(xiàn)了僅存在于表面的振動模式。低頻區(qū)域（0–10 THz）的傳導(dǎo)主要歸因于縱聲學(xué)支（LA）與橫聲學(xué)支（TA）聲子，其峰值位置與由非局域介電函數(shù)反推得到的體材料聲子色散吻合良好。而在10–15THz的中頻區(qū)域，不同晶向的頻譜熱導(dǎo)出現(xiàn)顯著差異，具體表現(xiàn)為特征峰位置及強(qiáng)度的變化：[100]取向在10.11THz和13.41THz處出現(xiàn)明顯共振；[110]在15THz附近存在單一寬峰；而[210]則在11.86THz處激發(fā)。這些頻率與由宏觀塊體材料預(yù)測的聲子極化激元頻率存在明顯偏移，強(qiáng)烈暗示表面局域振動模式在能量傳遞中起到關(guān)鍵作用。

圖3. 不同間隙尺寸下，MgO-MgO納米間隙在不同晶體取向時的光譜熱導(dǎo)率:(a) [100]，(b)[110]和(c)[210]。(d)-(f)不同間隙尺寸、不同晶體取向時MgO-MgO納米間隙中表面層的歸一化局部聲子態(tài)密度。灰色虛線用于輔助觀察。

為證實表面聲子模式的存在并厘清其與體聲子的區(qū)別，研究進(jìn)一步提取了界面附近數(shù)層原子（標(biāo)記為L1至L4）的局域振動態(tài)密度（VDOS）。結(jié)果顯示，最表層（L1）的VDOS與體材料存在根本性差異：不僅出現(xiàn)新的振動峰，原有聲子峰也發(fā)生頻移或展寬。這種差異來源于界面處平移對稱性的破缺以及原子配位數(shù)的改變，導(dǎo)致局域力常數(shù)與振動模態(tài)的重構(gòu)。尤為關(guān)鍵的是，頻譜熱導(dǎo)中的主要峰位與表面VDOS特征高度吻合，表明這些局域模式構(gòu)成了聲子隧穿的有效通道。例如，[100]取向在16.05THz和20.72THz處的熱導(dǎo)峰在表面VDOS中同樣存在，而在體VDOS中并無體現(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)證實了極端近場熱輸運(yùn)不僅依賴于體材料聲子屬性，更敏感于表面原子結(jié)構(gòu)與對稱性。

圖4. 體材料MgO在對數(shù)尺度(即logε”)下300K處非局域介電函數(shù)的虛部，顯示了沿 (a)[100]、(b)[110]和(c)[210]方向的聲子色散。

盡管如此，研究中仍觀察到某些熱導(dǎo)特征無法完全由表面VDOS解釋。例如在[100]和[210]取向下，18–22THz區(qū)間的譜熱導(dǎo)響應(yīng)可能來源于表面聲子極化激元（SPhP）與電磁倏逝波的耦合。這類耦合模式受到材料介電函數(shù)與波矢方向共同調(diào)制，其激發(fā)條件與晶體取向緊密相關(guān)。相比之下，非極性的[110]表面由于其原子排列抑制了此類耦合，因而在相應(yīng)頻段未出現(xiàn)明顯響應(yīng)。這說明在極端近場條件下，熱傳遞同時受到短程原子振動與長程電磁相互作用的影響，二者貢獻(xiàn)的相對大小與間隙尺寸、材料屬性及晶體取向密切相關(guān)。

隨著間隙尺寸增大，頻譜熱導(dǎo)的分布發(fā)生系統(tǒng)性演變：高頻與聲學(xué)聲子的貢獻(xiàn)逐漸減弱，能量傳遞愈發(fā)集中于剩余光學(xué)聲子支與SPhP模式。當(dāng)間隙達(dá)到12 ?時，NEMD模擬得到的熱導(dǎo)譜與基于平衡分子動力學(xué)（EMD）提取的局域介電函數(shù)所構(gòu)建的漲落電動力學(xué)（FE）理論預(yù)測高度一致。該一致性說明在此尺度下，材料響應(yīng)可較好地由宏觀介電描述捕獲，原子尺度的表面效應(yīng)與取向相關(guān)性退居次要。值得注意的是，即使在該尺度下，NEMD結(jié)果仍略高于連續(xù)介質(zhì)預(yù)測，這可能是由于表面模式殘余效應(yīng)或聲子隧穿的額外貢獻(xiàn)，也反映出宏觀理論在捕捉介觀—納米過渡區(qū)域物理時的固有局限。

圖5. 不同晶體取向的MgO-MgO納米間隙在間隙尺寸為12?時，通過非平衡分子動力學(xué)獲得的光譜熱導(dǎo)率與有限元局部理論的比較。

結(jié)論與展望

綜上所述，本研究說明了晶體取向?qū)O性材料在極端近場條件下的熱傳遞具有關(guān)鍵影響。在約5?的真空間隙中，[100]晶向表現(xiàn)出比[110]和[210]高出約30%的熱導(dǎo)，而超過6?后取向效應(yīng)逐漸消失，表明在極小尺度下原子排列與表面聲子模式對傳熱起主導(dǎo)作用。譜熱導(dǎo)分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，其共振頻率與表面聲子的振動特征高度吻合，這些模式因界面對稱性破缺而產(chǎn)生，顯著區(qū)別于體材料聲子行為，構(gòu)成了能量傳遞的主要通道。隨著間隙增大，熱輸運(yùn)行為逐漸趨近于連續(xù)介質(zhì)理論預(yù)測，說明宏觀理論在描述有限尺寸與原子細(xì)節(jié)方面的局限性。未來需進(jìn)一步從物理上理解表面聲子模式的激發(fā)機(jī)制及其對非局域光學(xué)響應(yīng)的貢獻(xiàn)，特別是在不同溫度和材料組合中的普適性。發(fā)展能夠兼容原子細(xì)節(jié)與介電響應(yīng)的多尺度理論模型，將是銜接微觀模擬與宏觀觀測的關(guān)鍵。此外，這一機(jī)制為原子級熱管理技術(shù)——如界面熱導(dǎo)設(shè)計與納米器件熱調(diào)控——提供了新的可能，值得在實驗和器件層面展開進(jìn)一步探索。