在热电转换和微电子热管理中，如何进一步压低纳米结构热导率并识别波动型声子的作用，是声子工程中的重要问题。近期清华大学王沫然教授团队在 Applied Physics Letters 发表 《Wavelike thermal phonons revealed by localization in graphene phononic crystals》，以石墨烯声子晶体为平台，利用机器学习分子动力学揭示非周期孔阵列中的声子局域化行为。
该工作采用通用碳 NEP 势描述原子相互作用，并在 GPUMD 中结合非平衡分子动力学（NEMD）、均匀非平衡分子动力学（HNEMD）和谱热流方法，比较周期石墨烯声子晶体（p-GPnC）与非周期石墨烯声子晶体（ap-GPnC）。两类结构具有相同孔隙率和平均孔距，差别只在孔的位置是否保持长程周期性，因此可以直接考察结构无序对相干热声子的影响。
图一：p-GPnC 与 ap-GPnC 的 NEMD 模型及长度依赖热输运结果：周期结构热导率随长度增加，而非周期结构中相干声子贡献受到明显抑制
NEP 不只是替代传统经验势提高精度，更使大尺寸、非周期石墨烯纳米结构的热输运模拟成为可能。HNEMD 给出本征谱热导率，NEMD 给出有限长度谱热导，两者结合可直接提取谱分解声子平均自由程，且不依赖布里渊区定义，特别适合处理缺乏平移对称性的无序声子晶体。
图二：弹性波场模拟显示局域化特征：低频 5 THz 波在 ap-GPnC 中形成局域热点并随传播距离衰减，而 25 THz 下周期与非周期结构差异减弱
结果显示，ap-GPnC 的热导率增长在短长度区间被显著压制，相干声子贡献约在 16 nm 达到峰值后下降，拟合局域化长度约为 24 nm。谱分析给出局域化效应的特征频率约 10 THz、特征长度约 100 nm；晶格动力学表明，非周期结构会使低频能带变平、高群速度模式减少，并增加低参与率模式比例。
该研究展示了 GPUMD&NEP 在“复杂纳米结构 – 谱热输运 – 声子局域化机制”研究中的优势：既能开展大规模分子动力学，又能把宏观热导变化追溯到具体声子模式，为低热导热电材料和声子晶体热管理器件设计提供了模拟范式。
文章信息：Bin Liu, Zhiguo Tian, Alexander A. Barinov, Moran Wang*. Wavelike thermal phonons revealed by localization in graphene phononic crystals. Applied Physics Letters 128, 112206 (2026).
文章链接：https://doi.org/10.1063/5.0316529
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