Advances of phononics in 2012—2022

Due to its great potential applications in thermal management, heat control, and quantum information, phononics has gained increasing attentions since the first publication in Rev. Mod. Phys. 84 1045 (2012). Many theoretical and experimental progresses have been achieved in the past decade. In this paper, we first give a critical review of the progress in thermal diodes and transistors, especially in classical regime. Then, we give a brief introduction to the new developing research directions such as topological phononics and quantum phononics. In the third part, we discuss the potential applications. Last but not least, we point out the outlook and challenges ahead.     

微纳米电子器件散热过程中的物理问题

微纳米电子器件的散热问题是目前制约半导体工业发展的重要瓶颈.将电子器件工作时产生的热量传输到封装外壳后再耗散到环境中去需要好几个步骤,每个步骤需要不同的方法,其中有些步骤涉及到了固体中的界面热传导问题和高性能导热材料.文章先介绍了近期关于微纳米尺度器件散热问题中碰到的热传导问题在理论和实验两方面的研究进展.在热传导理论和计算方法方面,作者讨论了傅里叶定律在微纳米尺度的适用性,介绍了玻尔兹曼方程、分子动力学模拟和格林函数方法.在热传导实验方面,介绍了用扫描热显微镜测量样品表面温度和用超快激光反射法测量薄膜材料的热导率及其界面热阻.然后介绍了界面热传导问题,包括界面热阻的计算以及电子—声子相互作用对界面热阻的影响.最后作者介绍了关于高性能导热材料方面的最新进展,包括碳基导热材料、晶格结构类似于石墨烯的氮化硼材料、高分子有机材料以及界面热阻材料.     

微纳尺度热能调控的声子学元器件研究进展

声子是半导体材料中热能的主要载体.通过对声子调控的深入研究,人们可以为微纳电子器件散热和热能转换提供有效的解决方案.文章介绍了热能调控声子学元器件的研究进展,重点阐述了理论上如何利用微纳米结构材料构建声子学基本单元——热二极管/热整流器.此外,文章还介绍了该领域的关键测量技术和实验进展,包括热整流器和热存储器的设计与实现.最后对声子学研究的发展趋势进行了展望,并提出了存在的困难和挑战.     

低维微纳尺度体系声子热传导和热调控:来自芯片散热的非平衡统计物理问题

半导体芯片发展路线图上的一个障碍是“热死(heat death)”,也就是大量热量的产生而导致芯片被烧毁.所以散热问题成为进一步发展半导体工业亟待解决的关键问题.芯片里的热传导包含一维和二维材料中声子热传导以及声子通过不同材料间的界面热传导.本文总结了过去30年来一维、二维和界面声子热传导的主要理论和实验进展,重点介绍了一维体系声子热传导发散的物理机制以及反常热传导和反常扩散之间的关系.本文还简要讨论了与此相关的非平衡态统计物理的基本问题:从给定的哈密顿量出发是否能够推导出宏观输运行为.本文从微观图像的角度讨论了调控声子热传导的几种方法:纳米声子晶体,纳米热超材料,界面和声子凝聚等.为了让读者全面了解声子热传导,还简要地介绍了其他声子热输运现象,包括热导量子化、声子热霍尔效应、手性声子,以及声子与其他载流子之间的相互作用.最后,本文讨论了声子热传导研究面临的挑战和机遇,包括声子在量子信息和技术中的潜在应用.     

气泡幕中的声传播及其反演

本文提出了用声学反演法测量气泡幕中气泡尺寸分布参数、气体的体积分数(浓度)以及气幕的有效厚度的方法.根据文献[3]引入的等效入射场的概念插写气泡多次散射相互作用的方法,考虑到气泡尺寸分布,得到了气泡介质的复声传播常数的表达式,并将它应用到气泡幕情况.实验测出气泡幕的反射透射数据,应用最优化方法反演得到气泡幕的上述几个参数,理论与实验符合得较好.     

声子学:用热处理信息和智能控制热流的新型科学和技术

文章同顾了微观体系中热流控制研究的理论和实验发展,着承介绍了近年来通过利用非线性材料中能谱随温度变化的特性控制热流的最新研究进展.研究表明,热二极管、热三极管和热逻辑门等微观尺度热控制器件模型都是叮行的.在理论上人们不仅可以对声子产生的热流进行整流、开关及调整,而且还可以用热来完成基本的逻辑运算.相火研究在环保节能方面也将得到广泛应用.