Dalam sains, konduktivitas kalor adalah ukuran kemampuan suatu bahan untuk mengalirkan panas. Dalam proses ini, fonon (gelombang suhu) memainkan peranan penting sebagai mediator dari energi panas. Selama perjalanan, fonon dapat terjadi scattering yang berbeda-beda, yaitu Umklapp phonon-phonon scattering, phonon-impurity scattering, phonon-electron scattering, dan phonon-boundary scattering.

Scattering yang pertama adalah Umklapp phonon-phonon scattering. Dalam proses ini, fonon memainkan peranan sebagai penghantar energi panas. Efek normal (konserasi vektor gelombang) dapat diabaikan, sehingga scattering umklapp menjadi dominan pada frekuensi tinggi.

Pengaruh Umklapp scattering dapat dinyatakan dengan rumus:

τ = (1/Γ) * exp(-Δω/T)

Dimana Γ adalah parameter Gruneisen anharmonicity, μ adalah modulus geser, V0 adalah volume per atom, dan ωD adalah frekuensi Debye.

Selain itu, terdapat pula scattering lainnya yang signifikan, seperti three-phonon and four-phonon process. Faktor ini mempengaruhi konduktivitas kalor pada suhu tinggi dan bahan non-logam.

Mass-difference impurity scattering adalah proses scattering lainnya yang mempengaruhi konduktivitas kalor. Efek ini dapat dinyatakan dengan rumus:

τ = (1/Γ) * (Δm/m)^2

Dimana Δm adalah perbedaan massa impuritas, dan m adalah massa atomik.

Pengaruh boundary scattering juga signifikan pada konduktivitas kalor, terutama pada struktur nano. Efek ini dapat dinyatakan dengan rumus:

τ = (1/Γ) * (k/l)^2

Dimana k adalah panjang gelombang fonon, dan l adalah panjang karakteristik sistem.

Pengaruh phonon-electron scattering juga mempengaruhi konduktivitas kalor, terutama pada material yang doped berat. Efek ini dapat dinyatakan dengan rumus:

τ = (1/Γ) * (n/e)^2

Dimana n adalah densitas elektron, dan e adalah muatan listrik.

Dalam sintesis, konduktivitas kalor suatu bahan dipengaruhi oleh berbagai proses scattering fonon. Dengan memahami proses-proses ini, kita dapat membuat prediksi yang lebih akurat tentang sifat konduktivitas kalor pada berbagai suhu dan bahan.

Referensi:

• Ziman, J.M. (1960). Electrons and Phonons: The Theory of transport phenomena in solids. Oxford Classic Texts in the Physical Sciences. Oxford University Press.
• Feng, Tianli; Ruan, Xiulin (2016). "Quantum mechanical prediction of four-phonon scattering rates and reduced thermal conductivity of solids". Physical Review B. 93 (4): 045202.
• Feng, Tianli; Lindsay, Lucas; Ruan, Xiulin (2017). "Four-phonon scattering significantly reduces intrinsic thermal conductivity of solids". Physical Review B. 96 (16): 161201.
• Jiang, Puqing; Lindsay, Lucas (2018). "Interfacial phonon scattering and transmission loss in > 1 um thick silicon-on-insulator thin films". Phys. Rev. B. 97 (19): 195308.
• Maznev, A. (2015). "Boundary scattering of phonons: Specularity of a randomly rough surface in the small-perturbation limit". Phys. Rev. B. 91 (13): 134306.
• Casimir, H.B.G (1938). "Note on the Conduction of Heat in Crystals". Physica. 5 (6): 495–500.