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凝聚态物理 > 材料科学

arXiv:2508.18477 (cond-mat)
[提交于 2025年8月25日 ]

标题: 电子-声子相互作用和从金属到二维狄拉克晶体的晶格热导率:综述

标题: Electron-Phonon interaction and lattice thermal conductivity from metals to 2D Dirac crystals: a review

Authors:Sina Kazemian, Giovanni Fanchini
摘要: 电子-声子(e-ph)耦合决定了电导率、热载流子冷却,以及在固体中至关重要的热传导。 最近的第一性原理进展现在可以从d带金属和宽禁带半导体到二维狄拉克晶体,无需经验参数预测e-ph限制的热导率。 在块体金属中,从头算寿命表明,尽管声子是次要的,但一旦考虑e-ph散射,它们仍能携带高达40%的热量。 我们接下来调查耦合的玻尔兹曼框架,例如\textsc{elphbolt},它能够捕捉半导体中的相互拖拽和超快非平衡状态。 对于二维狄拉克晶体,镜像对称性、载流子密度、应变和有限尺寸重新排列了散射层次:ZA模式在原始石墨烯中占主导地位,但一旦对称性被破坏,在纳米带中则成为主要的电阻分支。 在低费米能量和高温下,标准的三粒子衰减部分被抵消,提高了四粒子过程,并需要动态屏蔽的高阶理论。 在整个过程中,我们识别了微观杠杆,如电子态密度、声子频率、形变势,并展示了掺杂、应变或介电环境如何调节e-ph阻尼。 最后,我们概述了开放性挑战,如:开发耦合的e-ph求解器,用四粒子项求解完整的模到模的佩尔斯-玻尔兹曼方程,将关联电子方法嵌入e-ph工作流程,以及利用高阶e-ph耦合和对称性破缺来实现声子热二极管和整流器。 解决这些挑战将使e-ph理论从诊断工具提升为一种预测性、无参数的平台,将对称性、屏蔽和多体效应与下一代电子、光子和热电设备中的热和电荷输运联系起来。
摘要: Electron--phonon (e--ph) coupling governs electrical resistivity, hot-carrier cooling, and critically, thermal transport in solids. Recent first-principles advances now predict e--ph limited thermal conductivity from d-band metals and wide-band-gap semiconductors to 2D Dirac crystals without empirical parameters. In bulk metals, ab-initio lifetimes show that phonons, though secondary, still carry up to 40\% of the heat once e--ph scattering is included. We next survey coupled Boltzmann frameworks, exemplified by \textsc{elphbolt}, that capture mutual drag and ultrafast non-equilibrium in semiconductors. For 2D Dirac crystals, mirror symmetry, carrier density, strain, and finite size rearrange the scattering hierarchy: ZA modes dominate pristine graphene yet become the main resistive branch in nanoribbons once symmetry is broken. At low Fermi energies and high temperatures, the standard 3-particle decay is partially cancelled, elevating 4-particle processes and necessitating dynamically screened, higher-order theory. Throughout, we identify the microscopic levers such as the electronic density of states, phonon frequency, deformation potential, and show how doping, strain, or dielectric environment can tune e--ph damping. We conclude by outlining open challenges such as: developing coupled e--ph solvers, solving the full mode-to-mode Peierls--Boltzmann equation with 4-particle terms, embedding correlated electron methods in e--ph workflows, and leveraging higher-order e--ph coupling and symmetry breaking to realise phononic thermal diodes and rectifiers. Solving these challenges will elevate e--ph theory from a diagnostic tool to a predictive, parameter-free platform that links symmetry, screening, and many-body effects to heat and charge transport in next-generation electronic, photonic, and thermoelectric devices.
主题: 材料科学 (cond-mat.mtrl-sci) ; 其他凝聚态物理 (cond-mat.other)
引用方式: arXiv:2508.18477 [cond-mat.mtrl-sci]
  (或者 arXiv:2508.18477v1 [cond-mat.mtrl-sci] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.18477
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)

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来自: Sina Kazemian [查看电子邮件]
[v1] 星期一, 2025 年 8 月 25 日 20:42:11 UTC (1,007 KB)
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