基于理论与计算的进步, 现阶段对金属导热的定量研究进展迅速. 本文梳理了近年来金属导热理论与计算领域的重要研究成果. 金属中声子对导热的贡献比例一直是研究的重点, 研究发现这与金属类型有一定的关联. 金、银、铜、铝中声子对导热的贡献比例低于5%, 部分过渡金属中这一比例可超过10%. 金属间化合物的声子导热贡献比例与原胞的复杂度有关, 而金属性陶瓷中声子导热贡献占比约为26%—74%. 声子导热的贡献使得部分金属如钨、氮化钛的洛伦兹数高于标准值. 另一方面, 金属的洛伦兹数在室温以上普遍趋于稳定, 而在中低温区时则低于标准值, 这是因为电输运与电子热输运过程中有不同的散射机制. 纳米尺度下金属导热的情况十分复杂, 涉及晶界、边界等多种散射机制, 仍处于探索与发掘阶段. 压强与磁场对金属热导率的影响与具体的电子结构有较大关联, 相关的理论计算近年来得到了一定程度的发展, 为未来金属热导率调控设计等方面提供了支撑. 在未来的金属导热研究中, 实验上, 更好地合成与表征金属纳米材料的导热性质仍是重点研究方向. 理论上, 除了上述的内容与方向, 以下内容可能成为未来研究的重点.
金属导热中的物理问题. 1)金属中热载流子的多种散射机制. 除了电声散射和三声子散射外, 热载流子还会受到各种界面、边界、位错、原子空位等的散射作用. 建立计算理论框架与探索相关机制一方面可以扩展现有的金属导热基础理论, 另一方面也可揭示不同加工工艺对金属导热的影响机理. 2)非晶金属的导热机制. 非晶金属又名金属玻璃, 其硬度强度相较晶态金属更高. 但因这种金属的原子为无序堆积, 常规基于平面波展开的第一性原理计算难以施加周期性边界条件. 另一方面, 非晶半导体的导热理论已有很大发展, 并建立了基于热传播子、局域子等的多种导热理论. 然而这些机制均针对原子的振动, 非晶金属中的电子如何传递, 如何与原子振动相互作用而影响导热有待进一步探讨. 3)液态金属的导热机制. 液态金属是重要的核电冷却剂, 相较固态金属而言其原子间作用力更弱. 在这种情况下, 电子在输运中受到的散射机制、原子运动对导热的贡献, 以及不同掺杂对液态金属导热的影响机制均有待进一步探索.
金属导热的设计与调控问题. 1)合金的导热设计. 合金相较纯金属强度更高, 是应用广泛的结构材料. 但合金的热导率相较纯金属低, 这是因为合金中有很多的析出低热导率第二相、且热载流子会受到固溶原子以及界面的散射. 平衡设计高强度和高导热合金是有较大应用价值的学科交叉问题. 2)微纳结构的金属导热设计. 微纳尺度热测量实验、芯片内传热等情况, 需要考虑其中金属导热的尺寸效应. 虽然已有大量实验理论工作开展, 但是如何通过设计微观结构, 调整金属内部成分等方式控制尺寸效应, 按需求设计整体金属的导热研究现在仍开展较少, 这一设计问题有待进一步研究.