科技资讯写作大赛｜Phys. Rev. B: 单层氮化镓（GaN）热导率的反常温度依赖关系

材料人首届科技资讯写作大赛自5月13日发布征稿通知以来（参赛详情请戳我）赛程以过半，大赛受到读者们的广泛关注。感谢支持单位Taylor & Francis Group，科学出版社，MDPI，National Science Review，Chinese Science Bulletin，Science China Materials，Science China Chemistry ，Nano-Micro Letters对本次大赛的支持！感谢各位材料人的热心参与。本文由Guangzhao Qin投稿。

【引言】

以高热导率为特征的高效散热对于纳米电子器件工作的稳定性和可靠性非常重要。比如高温会导致手机卡顿，电脑死机，因此设备的稳定工作需要良好的散热性能。然而，由于一般情况下，热导率随温度的增加是反比下降的（κ~1/T），就导致随着器件功率的增加，更多的热产生出来，温度随之变高，同时散热能力会下降，导致热量累积，继而温度更高，器件的工作就陷入了散热性能的负循环，对于设备的稳定工作极其不利。因此，如果能找到一种半导体材料，它的热导率随温度增加而降低的速率小于一般的κ~1/T关系的话，基于这种半导体材料工作的器件就会具有良好的高温散热性能，即随着功率、温度的升高，其散热能力不会明显降低。

【成果简介】

近日，德国亚琛工大Ming Hu研究组的Guangzhao Qin等人基于第一性原理计算， 通过求解声子玻尔兹曼输运方程，报道了单层氮化镓（GaN）中的反常温度依赖关系，在室温及以上的温度范围内，其热导率随温度呈现近似于线性下降的关系，下降速率远远小于传统的κ~1/T关系。因此单层GaN在高温时候仍然具有较高的热导率，有利于高效散热，这对于其在纳米电子学领域的应用非常有利。基于深入的分析研究，作者提出了具有热导率反常温度依赖关系的两个条件：1）巨大的原子质量差（大的声子带隙）；2）显著的电负性差异（LO-TO劈裂）。并预测了同时满足这两个条件的其他一系列材料，其热导率可能也会有类似的反常温度依赖关系。事实上，在满足这两个条件的单层ZnO中，已经发现了类似的反常现象。

左图为多种材料热导率随温度的变化，其中温度归一化到各个材料的德拜温度，同时热导率归一化到各自德拜温度处的热导率。可以看到对于大量的材料，其热导率随温度的变化均满足传统的κ~1/T关系，而单层GaN的热导率温度依赖关系非常特殊，近似于线性，其热导率在高温时候具有明显相对较高的数值。详细的分析表明，单层GaN的热导率温度反常依赖关系直接原因在于LO光学分支主导贡献了热导率，其贡献随着温度的增加而增加，导致了高温时候的高热导率。LO主导热导率贡献来自于两个方面的原因，一是Ga原子和N原子巨大质量差导致的声子谱中大的带隙（右图），因此LO被散射的强度很低；二是单层GaN中两个原子巨大电负性差异导致的强极性共价键（中间图），导致LO-TO在Г点的劈裂（右图），从而导致LO具有非常大的群速度。

文献链接：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)

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