基于Monte Carlo粒子追踪的高性能声子模拟软件

热能作为一种基本的能源形式，在人类的能源使用形式中占比超过50%。如何在使用过程中减小热量的损耗（Reduce），对废热进行存储再利用（Reuse），以及将热量转变为其它的能源形式（Recycle），被认为是解决当前能源问题的有效途径之一。该类技术简称热的3R 技术，其中材料的热导率为决定其性能的一个关键参数。在绝缘体中，晶格的振动，或声子（phonon）为热量的主要载体。声子在纳米结构材料的表面及不同材料间的界面会发生散射，从而改变传输方向，进而影响材料的热导率。理解纳米结构材料中声子的传输规律，将有助于理解其内在的导热机理，从而促进热的3R 技术。然而，由于材料中导热声子的广谱特性以及纳米材料的结构复杂性，目前市面上尚无针对纳米结构材料导热性质进行模拟的成熟软件。基于此目的，东京大学塩見淳一郎教授，邵成博士后，以及课题组内其它成员，共同研发了一套基于Monte Carlo 粒子追踪的任意结构纳米材料热导率模拟软件（Simulator for phonon transport in Arbitrary Nano-Structure, P-TRANS）。该项目受日本New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) 及Thermal Management Materials and Technology Research Association (TherMAT) 项目资助。该软件的整体工作流程如图1所示。

图1 P-TRANS 的整体工作流程

该软件采用第一性原理计算得到的声子频谱特性作为输入，同时利用软件自带的图形界面（GUI）或者第三方CAD 软件来设计纳米结构材料的结构模型。在结构设计完毕后，只需要在该软件上点击运行Monte Carlo 粒子追踪程序，即可得到该纳米结构材料中的声子频谱特性，其中包括材料中声子的有效平均自由程分布，不同频谱声子对热导率的贡献，以及热导率随声子自由程的累积关系。这些信息对进一步设计及调控材料热导率起着重要作用。

该软件的主页网站为：http://www.phonon.t.u-tokyo.ac.jp/p-trans/ （点击文章后面阅读更多即可跳转）。该网站提供针对不同操作系统的下载链接及详细的使用教程，并提供多达60种材料基于第一性原理计算的声子频谱特性数据库，欢迎大家下载使用。如在使用过程中有任何问题，也可以发邮件到：ptrans@photon.t.u-tokyo.ac.jp 进行咨询。

图2 给出了基于该模拟仿真软件的具体应用。在P-TRANS 的帮助下，我们可以轻松模拟出多晶材料，纳米多孔材料，薄膜，及纳米线材料热导率。该仿真软件将大大提升新材料的设计，开发，及制造流程，同时为科研工作者进一步理解微纳米尺度声子传输提供新工具。

图2 基于P-TRANS的应用举例

相关参考文献如下：

· Takuma Hori, Junichiro Shiomi, Chris Dames, “Effective phonon mean free path in polycrystalline nanostructures”, Applied Physics Letters Vol. 106, 171901 (2015)

· Makoto Kashiwagi, Yuxuan Liao, Shenghong Ju, Asuka Miura, Shota Konishi, Takuma Shiga, Takashi Kodama, and Junichiro Shiomi, “Scalable multi-nanostructured silicon for room-temperature thermoelectrics”, ACS Applied Energy Materials, 2, 7083-7091 (2019).