为什么单层GaN热导率那么低？看这篇Nanoscale怎么说

王八嫉妒月亮 7年前 (2017-03-24) 10333浏览

【引言】

在凝聚态物理和材料科学领域中，人们一直关注以石墨烯为核心热点的二维材料。除石墨烯以外，其它二维材料的理论与实验研究也日渐成熟，比如，单层BN与ZnO。尤其是具有宽带隙的白石墨烯“h-BN”，其所呈现的半导体性质弥补了电子应用中石墨烯零带隙的缺陷，这激发了人们寻找其它单层氮化物的兴趣。2016年8月，美国宾夕法尼亚大学的第一作者Zakaria Y. Al Balushi和通讯作者Joan M. Redwing，Joshua A. Robinson等人在Nature Materials期刊中共同发表了题目为“Two-dimensional gallium nitride realized via graphene encapsulation”的实验文章，他们运用迁移增强封装技术，成功制备出了具有六角结构的单层GaN。众所周知，氮化镓基器件已经广泛应用于光电子领域（如光电探测器，发光二极管，太阳能电池等）。一般而言，材料维度的降低会使材料表现出多样的物理或化学性质，并进一步影响到相关的电子器件应用。由于单层GaN在各种器件中的潜在应用与其热输运性质紧密相连，所以对单层GaN中声子输运的研究尤为重要，其热导率机制的探索对其在热电领域或纳米电子器件的未来应用也很有必要。针对以上关键性问题，作者基于第一性原理，结合玻尔兹曼输运方程（BTE），系统开展了声子输运研究和深层次的电子结构分析。通过蜂窝状单层GaN与块体GaN，graphene，silicene，以及单层BN的对比分析，揭示了二维GaN材料中独特的声子输运机制。该工作为2D GaN的声子输运特征与内在机制提供了基础理解，有助于推进当前二维材料的纳米声子输运研究。

【成果简介】

图1：几种物质热导率的对比图

近日，南开大学左旭教授、江西滚球体育师范大学熊志华教授，德国亚琛工业大学Ming Hu （共同通讯作者）等人进行合作，采用第一性原理计算方法，首次理论报道了单层 GaN的声子热输运性质。该研究通过对比单层GaN和块体GaN、石墨烯、硅烯、单层BN等材料揭示了单层GaN中独特的热输运现象，深入研究其低热导率的机制，最后基于电子结构分析了2D GaN中由轨道驱动导致的强非简谐性与低热导率。理论计算得到的2D GaN热导率（κ）为14.93W/mK，与硅烯的热导率（19.21 W/mK）在同一个量级，但是远低于同样具有平面结构的2D BN（245 W/mK）与graphene（3094 W/mK）的热导率。为了理解2D GaN中的低热导率机制，作者针对包含块体GaN在内五种材料的声子分支贡献，声子群速度及寿命，散射过程及散射通道，声子非简谐性等方面进行了细致分析。与硅烯低热导率的机制不同，2D GaN的κ主要来自FA的贡献，其次来自于LO分支，这与依赖结构对称性的选择定则和声子能隙有关。针对散射过程及散射通道的研究分析发现，既不同于平面结构的石墨烯和单层BN，也不同于具有褶皱结构的硅烯，2D GaN中的声子-声子散射定则在一定程度上被Ga和N相差较大的原子半径和重量所破坏。对每种材料的Grüneisen参数与能量势阱进行对比分析后发现，2D GaN具有较强的声子非简谐性。最后，从电子结构的视角进一步分析了2D GaN的声子输运机制。结果表明，明显区别于石墨烯和硅烯，Ga与N相差较大的电负性引起它们之间的电荷转移，导致了强极性Ga-N共价键。在单层 GaN中，Ga-d轨道介入的sp杂化抑制了Ga-p轨道对成键的贡献，使Ga的失电子能力变弱（相对于块体GaN中的情况而言），就会导致更局域的电荷密度和极性更强的Ga-N键。综上所述，2D GaN中较强的声子非简谐性本质上决定于Ga-d轨道介入的sp类杂化引起的强极性Ga-N键，局域电荷密度，非均匀电荷分布等因素，从而导致了2D GaN的超低热导率。