Nanotechnology：合金的反常高熱導率：二維GaxAl1-xN

【摘要】

合金化過程通常由于引入不同的原子而導致熱導率的降低，然而二維Ga_xAl_1-xN合金在一定比例下可以具有相對較高的熱導率，這種現象打破了傳統的認識，對合金熱導率的研究做出了擴展和延伸。

【引言】

二維半導體材料以其優越的物理、化學及光電性能等被廣泛應用于半導體二極管等光電器件以及能源轉換領域，其中高效的散熱性能對于器件的穩定工作至關重要。隨著電子智能設備的飛速發展，人們對半導體材料的性能需求越來越高，單一半導體材料的性能已經無法滿足當下的需求，為使二維材料的性能得到進一步的擴展和提高，相關的諸如缺陷、摻雜、應力應變工程、構筑異質結構等調控手段不斷被探索，其中，合金化作為一種優異的調控手段被廣泛應用。

人們對于合金材料的熱輸運性能已經開展了很多的研究，所用方法以虛晶近似居多，其實質是將質量以及力場的不均勻性進行均一化處理，得到合金材料的熱導率，然而由于采用了大量的近似，所得結果不夠精確。本工作采用原子直接替代的方法構筑了Ga_xAl_1-xN二維合金結構，并進行直接的模擬計算，系統研究了不同比例下合金材料的熱輸運性能。研究發現，Ga_xAl_1-xN（x=25%、50%）合金的熱導率介于兩種母本材料（GaN、AlN）之間，其所表現出的合金熱導率區別于以往的合金低熱導率，對合金熱輸運性質的研究提供了非常大的參考價值。

【成果簡介】

近日，南京大學的王慧敏（第一作者）、湖南大學的魏東海（共同第一作者）、長沙理工大學的段軍飛（第三作者）、鄭州大學的秦真真（第四作者）、湖南大學的秦光照（共同通訊作者）、南京大學的姚亞剛（共同通訊作者）和美國南卡羅萊納大學的胡明（共同通訊作者）通過第一性原理計算，探索研究了二維Ga_xAl_1-xN合金在不同比例下的熱輸運性質。研究發現，當Ga原子比例為25%，其合金熱導率可高達29.57 Wm^-1K^-1，大于GaN的熱導率（14.92 Wm^-1K^-1），這為傳統上合金熱導率均低于母本材料的認識帶來了新的內容。造成這種現象的原因為合金中的Al原子不僅縮小了原子質量和半徑的差異，而且在聲子譜中引入了一條18 THz頻率的孤立光學聲子分支，這減弱了合金Ga_xAl_1-xN中的聲子散射作用。相關的電子態分析表明，Ga_0.25Al_0.75N合金中的共價鍵相對于GaN具有較弱的極性，這也進一步提高了其熱輸運性能。該工作中所采用的直接替換原子構建結構進行模擬的方法及所得結果以及深入的分析解釋，為合金的研究提供了新的思路，并擴展了合金材料在高性能熱管理領域中的應用前景。

該工作于近日在線發表于國際頂級SCI期刊Nanotechnology 32, 135401 (2021) DOI: 10.1088/1361-6528/abd20c

【圖文導讀】

圖1. 給出典型的Ga_xAl_1-xN（x=25%）合金熱導率以及不同分支熱導率貢獻隨溫度的變化，以及與母本材料的對比。

對比發現，二維Ga_xAl_1-xN合金，尤其當x=25%時其熱導率（29.57 Wm^-1K^-1）低于單層AlN（74.42 Wm^-1K^-1），但高于單層GaN（14.92 Wm^-1K^-1），這與以往所研究的合金低熱導率現象有所不同。

圖2. 對比分析了二維AlN、GaN及其Ga_0.25Al_0.75N合金的聲子譜。

從圖中可以發現，Ga_0.25Al_0.75N合金的聲子譜中，在頻率為18THz附近，出現了一條孤立的光學聲子分支。這條孤立的光學聲子分支減弱了低頻聲子與高頻聲子之間的散射，對形成合金高熱導率現象起了非常重要的作用。

圖3. 二維AlN、GaN及其Ga_0.25Al_0.75N合金的模式分析對比。

從三種材料的聲子熱輸運分析發現，Ga_0.25Al_0.75N合金熱導率高于其母本二維GaN的主要原因在于其相對高的群速度以及小的散射象空間，這與合金化過程中產生的孤立的光學聲子分支密不可分。

圖4. 二維AlN、GaN及其Ga_0.25Al_0.75N合金電子結構分析。

不難發現，Ga_0.25Al_0.75N合金中，Ga-p 和 Ga-d軌道對于sp²雜化的軌道貢獻呈增強趨勢，而N-p軌道貢獻有所弱化，因此所造成的Ga_0.25Al_0.75N合金中 Ga-N鍵的極化程度明顯弱于GaN，這種弱化的極化鍵強度削弱了聲子之間的散射過程，相比于GaN，一定程度上增加了合金的熱導率。

【參考文獻】

Huimin Wang^#, Donghai Wei^#, Junfei Duan, Zhenzhen Qin ,Guangzhao Qin^*, Yagang Yao^* and Ming Hu^*, The exceptionally high thermal conductivity after ‘alloying’ two-dimensional Gallium Nitride (GaN) and Aluminum Nitride (AlN), Nanotechnology 32, 135401 (2021) DOI: 10.1088/1361-6528/abd20c

供稿：魏東海