Thermal transport by phonons and electrons in aluminum, silver, and gold from first principles

声子 非谐性 热导率 凝聚态物理 材料科学 原子质量 电子 热传导 物理 原子物理学 量子力学 复合材料
作者
Ankit Jain,Alan J. H. McGaughey
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:93 (8) 被引量:194
标识
DOI:10.1103/physrevb.93.081206
摘要

Mode-dependent phonon and electron transport properties in Al, Ag, and Au are predicted using density functional theory and lattice dynamics calculations. The predicted thermal conductivities, electrical conductivities, electron-phonon coupling coefficients, and electron-phonon mass enhancement parameters are in agreement with experimental measurements. At a temperature of 100 K, the phonon contribution to the total thermal conductivity of Al is 5% in bulk and increases to 15% for a 50 nm thick film. In all three metals, phonons with mean free paths between 1 and 10 nm are the dominate contributors to the thermal conductivity at a temperature of 300 K, while the relevant electron mean free paths are 10--100 nm. Despite similar atomic masses, the phonon thermal conductivity of Al is an order of magnitude smaller than that of silicon due to a larger three-phonon phase space and stronger anharmonicity. These results will impact the interpretation of thermoreflectance experiments that can resolve carrier-level contributions to thermal conductivity.
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