新加坡国立大学Yee Kan Koh &清华-伯克利深圳学院孙波Nature Materials：位错在单晶III族氮化物薄膜引起的各向异性传热

【成果简介】

位错是一种III–V族半导体中十分常见的一维缺陷，严重影响器件的传热性能，例如氮化镓高功率电子器件。传统的非线性弹性模型预测由于刃位错和螺位错产生的平面应力场使得只有当声子垂直于位错时才会被剧烈散射，若位错高度定向排列，这种声子散射各向异性将会导致巨大的传热各向异性。而由于材料合成困难，位错这一外部缺陷引起的声子散射各向异性还未被实验证实。新加坡国立大学的Yee Kan Koh教授和清华-伯克利深圳学院的孙波博士通过时域热反射技术（TDTR）观测到了在单晶InN薄膜中由高定向贯穿性位错引起的强烈的各向异性传热。实验结果表明位错密度为3×10¹⁰cm^-2温度为80K时，截面热导率（沿位错方向）高于面内热导率（垂直位错方向）10倍。这项发现表明可用线缺陷（位错）调控材料的导热性能，在各类电子器件热管理方面有广阔的应用前景。

根据非线性弹性模型，位错对声子的弹性散射主要通过两种机制：（1）动态散射，可动位错在吸收一个声子同时释放一个声子，声子波长需与位错间两钉扎点距离可比拟才能发生，但此特征波长的声子只在极低温才对传热具有显著影响；（2）静态散射，声子散射可发生在位错核心区也可发生在由位错引起的应力场中，短程范围内，声子被位错核心区的晶格畸变散射，长程范围内，声子被不均匀应力场非谐性散射。Klemens率先使用微扰理论对静态散射模型分析，发现在德拜温度以下，长程应力场对声子的散射远比核心区强。Carruthers在散射矩阵中使用了更为严谨的应变场位移，发现对于刃位错，声子散射截面比Klemens预测的大1000倍。但是这两种模型都无法普适的定量描述已有的实验结果。

详细文章请见Nature Materials18, 136–140 (2019)。本文第一作者为清华-伯克利深圳学院孙波博士，通讯作者为新加坡国立大学Koh Yee Kan教授。合作者为慕尼黑工大Gregor Koblmuller教授及橡树岭国家实验室Carlos Polanco博士及Lucas Lindsay研究员。

【图文简介】

本文中，通过异质外延法在GaN基地上定向生长纤锌矿结构沿（0001）晶向InN薄膜，贯穿型位错也沿此方向定向排列(图1)。TDTR/beam-offset TDTR/Dual frequency TDTR三种方法测量了面内（垂直位错方向）热导率Λ_||和截面（沿位错方向）热导率Λ_⊥，实验结果发现，相比于其他缺陷（如晶界/缺陷）带来的微弱各向异性传热，低温下InN薄膜中有巨大的位错引起的各向异性传热，而纤锌矿晶体结构带来的本征各向异性可忽略不计。相比于由结构引起的导热各向异性，本实验有三个创新点：（1）通过可调控的缺陷证实了位错引起热导率各向异性；（2）截面（沿位错方向）热导率达到了第一性原理计算得到的本征热导率，具有T^-1温度依赖性，面内（垂直位错方向）热导率在低温下被严重抑制（图2a）；（3）由于面内（垂直位错方向）热导率Λ_||具有独特的温度依赖性，热导率各向异性比例也表现出强温度相关性（图 2b）。室温下，Λ_||和Λ_⊥在实验误差允许范围内相等，但在低温下，热导率具有强各向异性，当位错密度为2.9×10¹⁰cm^-2时，80K温度下Λ_⊥/Λ_||达到最大值9. 这不同于由层状晶体结构引起的声子散射各向异性（如石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷），声子-声子散射在所有晶体方向上具有相同的温度依赖性，因此各向异性比例与温度无关。

图1.InN结构设计及表征。

a.高定向贯穿性位错InN示意图；b.InGaN 隔热层可以让热流更多的在InN面内传输，增加TDTR测量的灵敏度；c-f.贯穿型位错InN膜TEM截面图。

图2.高定向贯穿型位错InN薄膜热导率随温度变化关系。

a.平面内和垂直平面热导率；b.InN薄膜各向异性比例随温度变化关系。

对热导率各向异性形成机制进行进一步探索，一方面截面热导率的温度T^-1依赖关系表明在这个维度上热阻来自于三声子过程，另一方面低温下面内热导率的降低主要来自于位错引起的声子各向异性散射。这种单方向的热导率降低难以用点缺陷、界面、晶界等外部缺陷理论来解释，因为这些缺陷将会在面内和截面两个方向上同时产生影响。使用第一性原理计算跟已有模型模拟位错与声子之间相互作用时，Klemens模型低估了散射强度，导致计算得到的热导率比实际实验中高出一个数量级，而Carruthers模型使用对数应力场，增强了散射强度，在室温下更符合实际测量结果。然而Carruthers模型低估了在低温下的位错对声子的散射，对不同位错密度下的热导率随温度的变化规律无法准确模拟。

对于Carruthers模型无法解释InN面内热导率温度相关性，文章中给出了几点假设：（1）在Carruthers模型中未考虑位错中心的散射，但计算发现这类散射是可以忽略不计的；（2）经验模型中低温下位错对声子的散射被低估有可能忽略了位错应力场的交叠，这在低位错密度情况下不需要考虑，然而高位错密度下，应力场的相互作用可能散射长波声子，然而即使在80K温度下，起主要传热作用的是波长小于5nm的声子，并不足以与位错形成的周期性应力场的尺度相比拟；（3）最有可能的情况是，Carruthers模型低估了由于位错引起的原子间作用力的改变，因此低估了声子散射的强度，在一阶微扰近似计算中难以被准确估计，但是这已经超出了当前的计算能力。

文章中还专门讨论了热导率与位错密度的关系，在常温下Λ_||和Λ_⊥变化趋势相同，随位错密度增加，热导率变化缓慢，即使在高位错密度下，也不足以对本征热导率产生影响，说明位错-声子之间的散射与声子-声子散射相比较小。对于Λ_⊥，即使80K温度下，位错密度对热导率的影响也不明显，声子沿位错方向的散射较弱，然而低温下Λ_||有明显的位错密度依赖性 （图3）。

通过高定向排列的位错可实现热传导各向异性，这项发现对功率器件热管理有重要意义。

图3 .热传导性质随位错密度变化关系。

a. 平面内，b.垂直平面热导率随位错密度变化关系

文献链接：http://doi.org/10.1038/s41563-018-0250-y

本文由清华-伯克利深圳学院团队供稿，材料人编辑部编辑。

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaorenVIP.