Unified theory of thermal transport in crystals and glasses

声子 物理 负热膨胀
作者
Michele Simoncelli,Nicola Marzari,Francesco Mauri,Michele Simoncelli,Nicola Marzari,Francesco Mauri
出处
期刊:Nature Physics [Nature Portfolio]
卷期号:15 (8): 809-813 被引量:488
标识
DOI:10.1038/s41567-019-0520-x
摘要

Crystals and glasses exhibit fundamentally different heat conduction mechanisms: the periodicity of crystals allows for the excitation of propagating vibrational waves that carry heat, as first discussed by Peierls; in glasses, the lack of periodicity breaks Peierls' picture and heat is mainly carried by the coupling of vibrational modes, often described by a harmonic theory introduced by Allen and Feldman. Anharmonicity or disorder are thus the limiting factors for thermal conductivity in crystals or glasses; hitherto, no transport equation has been able to account for both. Here, we derive such equation, resulting in a thermal conductivity that reduces to the Peierls and Allen-Feldman limits, respectively, in anharmonic-and-ordered or harmonic-and-disordered solids, while also covering the intermediate regimes where both effects are relevant. This approach also solves the long-standing problem of accurately predicting the thermal properties of crystals with ultralow or glass-like thermal conductivity, as we show with an application to a thermoelectric material representative of this class.
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