為什么單層GaN熱導率那么低？看這篇Nanoscale怎么說

王八嫉妒月亮?? 6年前 (2017-03-24) 9917瀏覽

【引言】

在凝聚態物理和材料科學領域中，人們一直關注以石墨烯為核心熱點的二維材料。除石墨烯以外，其它二維材料的理論與實驗研究也日漸成熟，比如，單層BN與ZnO。尤其是具有寬帶隙的白石墨烯“h-BN”，其所呈現的半導體性質彌補了電子應用中石墨烯零帶隙的缺陷，這激發了人們尋找其它單層氮化物的興趣。2016年8月，美國賓夕法尼亞大學的第一作者Zakaria?Y.?Al?Balushi和通訊作者Joan?M.?Redwing，Joshua?A.?Robinson等人在Nature?Materials期刊中共同發表了題目為“Two-dimensional?gallium?nitride?realized?via?graphene?encapsulation”的實驗文章，他們運用遷移增強封裝技術，成功制備出了具有六角結構的單層GaN。眾所周知，氮化鎵基器件已經廣泛應用于光電子領域（如光電探測器，發光二極管，太陽能電池等）。一般而言，材料維度的降低會使材料表現出多樣的物理或化學性質，并進一步影響到相關的電子器件應用。由于單層GaN在各種器件中的潛在應用與其熱輸運性質緊密相連，所以對單層GaN中聲子輸運的研究尤為重要，其熱導率機制的探索對其在熱電領域或納米電子器件的未來應用也很有必要。針對以上關鍵性問題，作者基于第一性原理，結合玻爾茲曼輸運方程（BTE），系統開展了聲子輸運研究和深層次的電子結構分析。通過蜂窩狀單層?GaN與塊體GaN，graphene，silicene，以及單層BN的對比分析，揭示了二維GaN材料中獨特的聲子輸運機制。該工作為2D GaN的聲子輸運特征與內在機制提供了基礎理解，有助于推進當前二維材料的納米聲子輸運研究。

【成果簡介】

圖1：幾種物質熱導率的對比圖

近日，南開大學左旭教授、江西科技師范大學熊志華教授，德國亞琛工業大學Ming Hu （共同通訊作者）等人進行合作，采用第一性原理計算方法，首次理論報道了單層?GaN的聲子熱輸運性質。該研究通過對比單層GaN和塊體GaN、石墨烯、硅烯、單層BN等材料揭示了單層GaN中獨特的熱輸運現象，深入研究其低熱導率的機制，最后基于電子結構分析了2D GaN中由軌道驅動導致的強非簡諧性與低熱導率。理論計算得到的2D GaN熱導率（κ）為14.93W/mK，與硅烯的熱導率（19.21 W/mK）在同一個量級，但是遠低于同樣具有平面結構的2D BN（245 W/mK）與graphene（3094 W/mK）的熱導率。為了理解2D GaN中的低熱導率機制，作者針對包含塊體GaN在內五種材料的聲子分支貢獻，聲子群速度及壽命，散射過程及散射通道，聲子非簡諧性等方面進行了細致分析。與硅烯低熱導率的機制不同，2D GaN的κ主要來自FA的貢獻，其次來自于LO分支，這與依賴結構對稱性的選擇定則和聲子能隙有關。針對散射過程及散射通道的研究分析發現，既不同于平面結構的石墨烯和單層BN，也不同于具有褶皺結構的硅烯，2D GaN中的聲子-聲子散射定則在一定程度上被Ga和N相差較大的原子半徑和重量所破壞。對每種材料的Grüneisen參數與能量勢阱進行對比分析后發現，2D GaN具有較強的聲子非簡諧性。最后，從電子結構的視角進一步分析了2D GaN的聲子輸運機制。結果表明，明顯區別于石墨烯和硅烯，Ga與N相差較大的電負性引起它們之間的電荷轉移，導致了強極性Ga-N共價鍵。在單層 GaN中，Ga-d軌道介入的sp雜化抑制了Ga-p軌道對成鍵的貢獻，使Ga的失電子能力變弱（相對于塊體GaN中的情況而言），就會導致更局域的電荷密度和極性更強的Ga-N鍵。綜上所述，2D GaN中較強的聲子非簡諧性本質上決定于Ga-d軌道介入的sp類雜化引起的強極性Ga-N鍵，局域電荷密度，非均勻電荷分布等因素，從而導致了2D GaN的超低熱導率。