科技資訊寫作大賽｜Phys. Rev. B: 單層氮化鎵（GaN）熱導率的反常溫度依賴關系

材料人首屆科技資訊寫作大賽自5月13日發布征稿通知以來（參賽詳情請戳我）賽程以過半，大賽受到讀者們的廣泛關注。感謝支持單位Taylor?&?Francis?Group，科學出版社，MDPI，National Science Review，Chinese Science Bulletin，Science China Materials，Science China Chemistry ，Nano-Micro Letters對本次大賽的支持！感謝各位材料人的熱心參與。本文由Guangzhao Qin投稿。

【引言】

以高熱導率為特征的高效散熱對于納米電子器件工作的穩定性和可靠性非常重要。比如高溫會導致手機卡頓，電腦死機，因此設備的穩定工作需要良好的散熱性能。然而，由于一般情況下，熱導率隨溫度的增加是反比下降的（κ~1/T），就導致隨著器件功率的增加，更多的熱產生出來，溫度隨之變高，同時散熱能力會下降，導致熱量累積，繼而溫度更高，器件的工作就陷入了散熱性能的負循環，對于設備的穩定工作極其不利。因此，如果能找到一種半導體材料，它的熱導率隨溫度增加而降低的速率小于一般的κ~1/T關系的話，基于這種半導體材料工作的器件就會具有良好的高溫散熱性能，即隨著功率、溫度的升高，其散熱能力不會明顯降低。

【成果簡介】

近日，德國亞琛工大Ming Hu研究組的Guangzhao Qin等人基于第一性原理計算， 通過求解聲子玻爾茲曼輸運方程，報道了單層氮化鎵（GaN）中的反常溫度依賴關系，在室溫及以上的溫度范圍內，其熱導率隨溫度呈現近似于線性下降的關系，下降速率遠遠小于傳統的κ~1/T關系。因此單層GaN在高溫時候仍然具有較高的熱導率，有利于高效散熱，這對于其在納米電子學領域的應用非常有利。基于深入的分析研究，作者提出了具有熱導率反常溫度依賴關系的兩個條件：1）巨大的原子質量差（大的聲子帶隙）；2）顯著的電負性差異（LO-TO劈裂）。并預測了同時滿足這兩個條件的其他一系列材料，其熱導率可能也會有類似的反常溫度依賴關系。事實上，在滿足這兩個條件的單層ZnO中，已經發現了類似的反常現象。

左圖為多種材料熱導率隨溫度的變化，其中溫度歸一化到各個材料的德拜溫度，同時熱導率歸一化到各自德拜溫度處的熱導率。可以看到對于大量的材料，其熱導率隨溫度的變化均滿足傳統的κ~1/T關系，而單層GaN的熱導率溫度依賴關系非常特殊，近似于線性，其熱導率在高溫時候具有明顯相對較高的數值。詳細的分析表明，單層GaN的熱導率溫度反常依賴關系直接原因在于LO光學分支主導貢獻了熱導率，其貢獻隨著溫度的增加而增加，導致了高溫時候的高熱導率。LO主導熱導率貢獻來自于兩個方面的原因，一是Ga原子和N原子巨大質量差導致的聲子譜中大的帶隙（右圖），因此LO被散射的強度很低；二是單層GaN中兩個原子巨大電負性差異導致的強極性共價鍵（中間圖），導致LO-TO在Г點的劈裂（右圖），從而導致LO具有非常大的群速度。

文獻鏈接：Guangzhao Qin, Zhenzhen Qin, Huimin Wang, and Ming Hu^*, Anomalously temperature-dependent thermal conductivity of monolayer GaN with large deviations from the traditional 1/T law, Phys. Rev. B 95, 195416 (2017)

材料牛編輯背逆時光編輯整理。