纳米材料的热输运机理及调控

《纳米材料的热输运机理及调控》深入剖析了纳米尺度下，声子、电子等微观载流子在尺寸效应、边界散射和量子限制等因素影响下的复杂输运行为，揭示了简谐与非简谐相互作用、电子-声子耦合效应等机制对热导率的影响。通过第一性原理与玻尔兹曼输运方程等先进方法，结合机器学习与高通量筛选，识别出一系列具有极端热导率表现的纳米材料。具体而言，PbAuGa与CsKNa因其强非简谐效应和“rattlers”原子局域振动展现出超低声子热导率，而Be-Co/Ni等金属间化合物则因高德拜温度与弱电子-声子耦合效应，展示出接近金刚石的超高热导性能。本书还深入探讨了低维铁电材料（如双层氮化硼）中热导率的调控策略，阐述了通过外加电场实现热导率可逆调控的机理，为动态热控制器件的设计提供了新的思路。
本书为从事纳米热输运研究的学者、工程技术人员及相关专业高年级研究生提供了全面的理论支持与方法指导。

随着纳米科技的蓬勃发展与高集成电子器件的持续演进，热管理与能量转换问题日益成为制约系统性能提升的核心瓶颈。材料的热输运特性，特别是在纳米尺度下的热输运行为，已成为材料科学、能源工程、微纳电子等多个交叉领域中亟须深入探究的关键科学问题。
与传统宏观尺度热传导相比，纳米尺度下的热输运展现出截然不同的物理图景。声子、电子等微观载流子的行为受到尺寸效应、边界散射、量子限制形成复杂且多样的输运机制，甚至在某些材料中引发前所未有的新现象。对此，亟须从原子尺度出发，结合多尺度理论建模与数据驱动预测手段，对材料热导率进行系统研究，方可实现从机制理解到性能调控的飞跃。
本书以“纳米尺度热输运机理与多尺度建模”为主线，系统阐述了热导率的理论基础、先进计算方法、关键材料体系的热传导行为及调控策略，尤其关注金属晶体与低维铁电材料中的热输运特性演化。通过第一性原理计算与玻尔兹曼输运方程等方法，结合深度学习与高通量筛选，在开放量子材料数据库（OQMD）中识别出一批具有极端热导率表现的金属化合物。研究表明，PbAuGa与CsKNa等化合物表现出近似空气的超低声子热导率，而Be-Co、Be-Ni等金属间化合物则具备媲美金刚石的超高热导性能。上述现象的深入分析揭示了非简谐相互作用、“rattlers”机制与电子-声子耦合效应之间的复杂关系，为高导与低导材料的设计提供了理论支撑。
在铁电材料方向，本书重点探讨了双层氮化硼和黑磷烯等二维材料，通过外加电场实现可逆调控热导率的潜力。这类低维材料在声子流体动力学、极化态调控与热各向异性削弱等方面展现出前所未有的调控行为，为未来高性能热控器件提供了新的工程思路。
进一步地，本书从理论方法与工程实现角度出发，系统回顾了点缺陷、线缺陷、界面结构、多孔网络等不同尺度结构单元对热传导行为的作用机理，进而构建了融合机器学习与不确定性量化的多尺度热输运建模框架。该框架不仅实现了对复杂体系热传导特性的快速预测，更为材料性能优化与反向设计提供了强大工具。
综上所述，本书旨在为从事纳米热输运研究的研究人员、工程技术人员及相关专业高年级研究生提供系统的理论支持与方法指导，推动纳米尺度热输运研究从定性理解走向高精度预测，并为下一代热管理材料和能量转换器件的创新奠定坚实基础。
本专著的完成得益于辽宁省自然科学基金项目（项目编号：No. 2023-MSLH-266）和辽宁省教育厅基金项目（项目编号：No. LJ212410142050）的资助。项目在实施过程中所开展的系列研究，为本书的主要内容提供了坚实的数据基础和理论支撑。
在专著编写的过程中，研究生谷文与张梦园在文献整理、计算模拟、图表绘制及稿件校对等方面给予了大量帮助，在此谨致以诚挚的感谢。
此外，感谢一直以来给予支持与指导的科研同行与合作单位的专家学者，他们的学术交流与鼓励极大地拓展了本书的研究视野。
谨以此书献给所有投身于纳米热输运与热功能材料研究的学者与工程实践者。

著者
2025年8月

第1章 绪论 001

第2章 纳米尺度热输运理论计算方法 006
2.1热导率概念与基础 007
2.1.1热导率007
2.1.2声子和电子热导率008
2.1.3扩散与弹道声子输运008
2.1.4声子输运动力学行为010
2.2纳米尺度热导率的理论方法 011
2.2.1当前理论方法概述011
2.2.2基于密度泛函理论的第一性原理计算方法013
2.2.3声子玻尔兹曼输运方程018
2.2.4电子玻尔兹曼输运理论025
2.2.5电声耦合热导率计算028
2.3晶格热输运计算软件与程序031

第3章 金属晶体热导率研究 045
3.1研究背景046
3.2基于反键效应的金属晶体超低晶格热导率046
3.2.1晶体结构047
3.2.2晶体稳定性047
3.2.3计算参数050
3.2.4计算结果053
3.2.5小结066
3.3基于费米表面嵌套的异常电子-声子耦合067
3.3.1晶体结构067
3.3.2计算参数068
3.3.3计算结果071
3.3.4小结080

第4章 基于电场的铁电材料热输运可逆调控 082
4.1研究背景083
4.2双层氮化硼的声子流体动力学输运083
4.2.1晶体结构与计算参数084
4.2.2计算结果086
4.2.3小结094
4.3黑磷烯热导率各向异性可逆调控096
4.3.1晶体结构097
4.3.2计算参数098
4.3.3晶体稳定性099
4.3.4计算结果100
4.3.5小结106

第5章 多尺度热输运模型的前沿展望 107
5.1界面热输运模型的挑战与紧迫需求108
5.2人工智能在单尺度方法中的关键作用109
5.3基于深度学习的复杂热输运传输过程优化方法111
5.4多尺度热输运模型中的不确定性量化方法114
5.5声子与其他能量载体的相互作用机制115
5.6结论117

第6章 结论 119

参考文献 122