作者：Xueyan Zhu(朱雪燕),?Cheng Shao(邵成)

單位：中物院高性能數值模擬軟件中心,?山東高等技術研究院

DOI：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.106.014305

非簡諧效應對于高溫下固體中的熱傳導往往起著重要作用。對于晶體，非簡諧效應通常會導致聲子的平均自由程隨溫度的升高而降低，從而使得熱導率降低。然而對于無定形固體，熱導率隨溫度的升高是單調增加的。這表明，非簡諧效應對于無定形固體中熱傳導的影響與對晶體的影響機理是不同的。本文從兩個層次研究了非簡諧效應對于無定形二氧化硅（a-SiO2）熱導率的影響規律和機理。首先對比了由Allen和Feldman提出的簡諧理論（AF理論）和Isaeva等提出的非簡諧理論（quasi-harmonic Green-Kubo，QHGK）對于熱導率計算結果的影響。進一步對比了使用簡諧振動頻率和非簡諧振動頻率對于熱導率計算結果的影響。AF理論是基于Kubo公式使用簡諧的熱流算子推導出來的；QHGK基于Green-Kubo公式使用簡諧的熱流進行推導，然后在計算熱流自相關函數的時候通過振動模式的線寬來考慮非簡諧效應。

使用QHGK計算得到的熱導率比AF理論計算得到的熱導率要大；在熱導率計算中考慮非簡諧效應導致的頻移后還會使得熱導率進一步增大。這表明，非簡諧效應可以促進a-SiO2中熱量的傳遞，這一點與非簡諧效應對于晶體材料熱傳導的影響是相反的。本文的研究還發現，非簡諧效應導致的頻移是a-SiO2熱導率隨溫度升高的一個機理。對于每個振動模式的擴散率的研究表明，盡管非簡諧效應對于局域子比對于擴散子的影響更大，非簡諧效應導致的熱導率的升高主要是由非簡諧效應導致的擴散子的擴散率的增加引起的，這是因為擴散子占了所有振動模式的90%并且擴散子的擴散率比局域子的擴散率大。不同擴散子之間的相互作用是a-SiO2中熱傳導的主要機理，而局域子主要通過與擴散子相互作用進行傳熱。

(a) AF理論（空心點）和QHGK（黃色的圓點）計算得到的熱導率對比，?是AF理論中的展寬參數，紫色的點是采用Simoncelli等提出的熱導率模型的計算結果，與QHGK完全一致。(b) QHGK采用簡諧聲子譜（藍線）和非簡諧聲子譜（黃線和紅線）計算得到的熱導率的對比，其中藍線和黃線是使用經典的比熱容計算的結果，紅線是使用量子比熱容的計算結果，空心點是使用分子動力學模擬通過Green-Kubo公式計算得到的熱導率，實心點是實驗的數據。(c) 擴散子-擴散子，擴散子-局域子以及局域子-局域子交叉關聯項對于熱導率的貢獻。

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(a) 不同溫度下的非簡諧效應導致的頻移（非簡諧頻率與簡諧頻率之差）。(b) 頻移導致的不同振動模式的熱導率的變化。(c) 頻移導致的不同振動模式的熱導率的相對變化。橘黃色的陰影部分是局域子，其它部分是擴散子。