导读
声子热传输在超硬材料中的表现对于理解和开发具有高导热性的材料至关重要。上海交通大学中英低碳学院的鞠生宏副教授课题组在国际金属材料领域顶刊《Acta Materialia》发表题为“Heterogeneous C–C bonding induced anomalous phonon transport in superhard BC2N polymorphs”的学术论文，详细介绍了BC2N超硬材料导热机理计算的最新研究成果。论文第一作者为上海交通大学中英国际低碳学院博士生饶勇超。
BC2N多形体的结构特性与热导率表现
超硬材料广泛应用于各种工业器件中。为克服超硬金刚石易与铁反应、易氧化以及合成困难等缺点，大量的理论和实验工作致力于寻找性能更优的新型超硬材料。其中，具有极高维氏硬度（76 GPa）的立方BC2N极大地引起了研究人员的关注，其异常高的机械硬度来源于结构中原子间的sp3成键以及轻元素之间更多更强的共价键特性。此外，超硬R3m型BC2N异质金刚石结构也具备高达2100 Wm-1K-1的室温热导率，然而低对称性的正交BC2N相其热导率仅介于784-1392 Wm-1K-1之间。鉴于BC2N晶体中不同的原子间成键强度，理论揭示不同类型BC2N中原子结合强度对机械强度和声子热输运调控作用利于有效设计下一代超硬导热材料。
图1 (a) TA1、TA2、LA和光学声子对热导率的贡献率随温度变化关系，(b) 300 K温度下TA1、TA2、LA和光学声子对热导率的贡献率，(c) 声子散射率，和 (d) Grüneisen参数，(e)300 K温度下声子平均自由程 (MFP) 与其累积热导率的关系曲线
异质键合作用对声子热输运的影响
晶体中化学键类型与强度直接影响声子热输运性能，本研究基于第一性原理声子热输运计算综合分析了R3m, P222_1和C121相BC2N 异质金刚石结构的声子热输运行为。相比于高对称的晶体相，低对称性的C121结构其晶格热导率呈现断崖式下降，归因于C121相中C-C共价键异质键合作用导致结构中横向声子热传输受到极大的抑制。
首先，相比于R3m和P222_1两相，C121相中的声子产生大量声子散射通道，增加了其散射率，并极大地抑制了其声子输运能力。我们也对各声学分支的散射率进行了分析和讨论，确定了此散射峰值主要是由TA1横向声学支主导的。此外，基于晶体轨道哈密顿布居数分析，发现C121相中存在极弱的C-C成键态。尽管在C121相中也存在相比于R3m和P222_1相更强的B-N和C-N键，但结构中极弱的C-C键会导致声子软化、极强的晶格非简谐性和低弹性模量。这些因素增强了C121相中声子与声子间的散射作用，从而抑制其晶格热导率。最后，鉴于超硬导热材料BC2N在机械强度和导热两方面性能的需求和研究，我们也对比计算了三种BC2N异构体的弹性常数。一般地，固体中弹性常数大小取决于原子间键合强度。因此，C121相中特别弱的C-C键导致了其相比于R3m和P222_1相更小的机械强度和硬度。弱的键合作用也会降低声速，我们结合经验Slack模型以机械强度常量为输入计算了三种结构相的热导率，与第一性原理结合玻尔兹曼输运理论计算的结果有较高的一致性。
“交我算”加速科研成果产出
在这项研究中，鞠生宏副教授团队通过第一性原理计算，详细分析了超硬BCN多形体中异质化C-C键合如何影响声子的传输特性。计算工作主要利用了“交我算”平台上的“思源一号”集群和广泛使用的VASP（Vienna Ab initio Simulation Package）软件进行。研究团队采用广义梯度近似（GGA）和Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)方法处理电子的交换和关联势能，以精确模拟BCN材料的电子结构和声子行为。本研究中的高性能计算得到了“交我算”平台的有效支持，使得团队能够在较短时间内完成大规模的计算任务。平台的高计算性能和稳定运行为研究提供了强有力的技术保障。
论文致谢“交我算”思源一号高性能计算平台
结语
本研究从物理层面解释了不同晶体相BC2N结构中声子热输运行为的巨大区别，为设计具有可调控热导率的功能材料和器件提供了理论指导。详细的计算细节不仅加深了对BCN多形体热物理行为的理解，也展示了高性能计算在材料科学研究中的关键作用。通过这些材料计算模拟，研究团队不仅揭示了复杂材料体系中声子传输的微观机制，还为未来超硬材料的开发提供了有力的理论支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119454
来源：上海交通大学中英国际低碳学院