Nanotechnology：合金的反常高热导率：二维GaxAl1-xN

【摘要】

合金化过程通常由于引入不同的原子而导致热导率的降低，然而二维Ga_xAl_1-xN合金在一定比例下可以具有相对较高的热导率，这种现象打破了传统的认识，对合金热导率的研究做出了扩展和延伸。

【引言】

二维半导体材料以其优越的物理、化学及光电性能等被广泛应用于半导体二极管等光电器件以及能源转换领域，其中高效的散热性能对于器件的稳定工作至关重要。随着电子智能设备的飞速发展，人们对半导体材料的性能需求越来越高，单一半导体材料的性能已经无法满足当下的需求，为使二维材料的性能得到进一步的扩展和提高，相关的诸如缺陷、掺杂、应力应变工程、构筑异质结构等调控手段不断被探索，其中，合金化作为一种优异的调控手段被广泛应用。

人们对于合金材料的热输运性能已经开展了很多的研究，所用方法以虚晶近似居多，其实质是将质量以及力场的不均匀性进行均一化处理，得到合金材料的热导率，然而由于采用了大量的近似，所得结果不够精确。本工作采用原子直接替代的方法构筑了Ga_xAl_1-xN二维合金结构，并进行直接的模拟计算，系统研究了不同比例下合金材料的热输运性能。研究发现，Ga_xAl_1-xN（x=25%、50%）合金的热导率介于两种母本材料（GaN、AlN）之间，其所表现出的合金热导率区别于以往的合金低热导率，对合金热输运性质的研究提供了非常大的参考价值。

【成果简介】

近日，南京大学的王慧敏（第一作者）、湖南大学的魏东海（共同第一作者）、长沙理工大学的段军飞（第三作者）、郑州大学的秦真真（第四作者）、湖南大学的秦光照（共同通讯作者）、南京大学的姚亚刚（共同通讯作者）和美国南卡罗莱纳大学的胡明（共同通讯作者）通过第一性原理计算，探索研究了二维Ga_xAl_1-xN合金在不同比例下的热输运性质。研究发现，当Ga原子比例为25%，其合金热导率可高达29.57 Wm^-1K^-1，大于GaN的热导率（14.92 Wm^-1K^-1），这为传统上合金热导率均低于母本材料的认识带来了新的内容。造成这种现象的原因为合金中的Al原子不仅缩小了原子质量和半径的差异，而且在声子谱中引入了一条18 THz频率的孤立光学声子分支，这减弱了合金Ga_xAl_1-xN中的声子散射作用。相关的电子态分析表明，Ga_0.25Al_0.75N合金中的共价键相对于GaN具有较弱的极性，这也进一步提高了其热输运性能。该工作中所采用的直接替换原子构建结构进行模拟的方法及所得结果以及深入的分析解释，为合金的研究提供了新的思路，并扩展了合金材料在高性能热管理领域中的应用前景。

该工作于近日在线发表于国际顶级SCI期刊Nanotechnology 32, 135401 (2021) DOI: 10.1088/1361-6528/abd20c

【图文导读】

图1. 给出典型的Ga_xAl_1-xN（x=25%）合金热导率以及不同分支热导率贡献随温度的变化，以及与母本材料的对比。

对比发现，二维Ga_xAl_1-xN合金，尤其当x=25%时其热导率（29.57 Wm^-1K^-1）低于单层AlN（74.42 Wm^-1K^-1），但高于单层GaN（14.92 Wm^-1K^-1），这与以往所研究的合金低热导率现象有所不同。

图2. 对比分析了二维AlN、GaN及其Ga_0.25Al_0.75N合金的声子谱。

从图中可以发现，Ga_0.25Al_0.75N合金的声子谱中，在频率为18THz附近，出现了一条孤立的光学声子分支。这条孤立的光学声子分支减弱了低频声子与高频声子之间的散射，对形成合金高热导率现象起了非常重要的作用。

图3. 二维AlN、GaN及其Ga_0.25Al_0.75N合金的模式分析对比。

从三种材料的声子热输运分析发现，Ga_0.25Al_0.75N合金热导率高于其母本二维GaN的主要原因在于其相对高的群速度以及小的散射象空间，这与合金化过程中产生的孤立的光学声子分支密不可分。

图4. 二维AlN、GaN及其Ga_0.25Al_0.75N合金电子结构分析。

不难发现，Ga_0.25Al_0.75N合金中，Ga-p 和 Ga-d轨道对于sp²杂化的轨道贡献呈增强趋势，而N-p轨道贡献有所弱化，因此所造成的Ga_0.25Al_0.75N合金中 Ga-N键的极化程度明显弱于GaN，这种弱化的极化键强度削弱了声子之间的散射过程，相比于GaN，一定程度上增加了合金的热导率。

【参考文献】

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：魏东海