來源 | Applied Physics Letters

原文 | https://doi.org/10.1063/5.0149298

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背景介紹

熱管理對高集成度和高功率密度電子器件的正常運行至關重要。高性能電子器件運行時會產生大量的熱量，如果不能有效及時地將這些熱量排出，就會導致器件過熱，進而影響性能，甚至損壞器件。優秀的熱管理材料應當同時具備高導熱性能和機械性能，以避免器件過熱或斷裂。

氮化硅（Si₃N₄）因其獨特的特性在該領域受到廣泛的關注。由于較強的Si-N鍵，Si₃N₄ 陶瓷表現出優異的機械性能，在室溫及高溫下均具有較高的強度和硬度，同時Si₃N₄ 還具有低熱膨脹系數和低密度。優異的機械性能往往伴隨著較高的熱導率，這使其成為具有前景的大功率電子器件基底候選者之一。

熱導率是熱管理中最重要的性質之一。1995 年，Haggerty 和 Lightfoot 根據 Slack 關系預測室溫下β-Si₃N₄ 的本征熱導率為 200至 320 W/mK。2002年，Hirosaki等人借助經驗勢函數，通過分子動力學(MD) 模擬，得到Si₃N₄的熱導率沿 a 軸和 c 軸分別為170 和 450 W/mK。但目前實驗中所實現的最高熱導率僅為177 W/mK，遠低于上述傳統理論的預測值。實驗學家們普遍將實驗值與理論值的不匹配歸結為實驗樣品中晶格氧、晶相、晶界等雜質或缺陷的存在。因此很多實驗室仍在努力嘗試提高氮化硅的熱導率以達到450 W/mK的理論上限。

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成果掠影

猶他大學Tianli Feng教授團隊提出，之前的理論上限預測值本身并不正確。通過第一性原理，該團隊揭示：室溫下β-Si₃N₄的理論熱導率上限沿c和a軸分別只有169和57 W/mK，并不是之前認為的450 W/mK。此預測不需要依靠擬合參數或經驗勢函數，因此普遍比較準確。通過預測值與多組實驗數據在較寬溫度范圍內的比較，研究者發現之前的實驗中已經達到理論熱導率上限，因此，實驗上繼續提高純度和顆粒大小并不會提高熱導率。作為對照，文中還計算了α-Si₃N₄，其熱導率沿c和a軸分別為116和87 W/mK。

與其他常用的半導體材料（例如SiC、AlN和GaN）相比，盡管Si₃N₄ 的化學鍵和機械強度相當甚至更強，但其熱導率要低得多。比如SiC熱導率是400-500 W/mK，AlN熱導率是325 W/mK，GaN熱導率是200 W/mK。通過對比SiC和Si₃N₄的聲子性質，團隊發現Si₃N₄的較低熱導率是由于其較大的三聲子散射空間和更強的非簡諧性導致了較低的聲子壽命和平均自由程。

此外，團隊發現更大的晶胞（原胞中具有更多的原子）導致的較少聲學聲子占比并不是低熱導率的原因。研究還表明，只有在晶體顆粒尺寸小于1微米時，熱導率才會比較明顯的受到尺寸影響。

本研究揭示了正確的Si₃N₄理論熱導率的上限，希望能夠對實驗研究有所幫助。研究成果以“Theoretical upper limits of the thermal conductivity of Si₃N₄”為題發表于《Applied Physics Letters》。

03

圖文導讀

圖1（a）α-和（b）β-Si₃N₄的聲子色散關系和態密度。

圖2 （a）第一性原理預測的Si ₃N ₄熱導率隨溫度的變化及與實驗數據的對比；（b）第一性原理預測的α-和β-Si ₃N ₄熱導率隨溫度變化的對比。

圖3 室溫下Si ₃N ₄熱導率與3C-SiC、6H-SiC、4H-SiC、AlN和GaN的對比。AlN和GaN的各向異性并不顯著，未展示在圖中。

圖4 室溫下Si ₃N ₄和3C-SiC（a）歸一化的平均自由程累積熱導率、（b）聲子群速度、（c）聲子弛豫時間、（d）三聲子散射空間、（e）Grüneisen參數和（f）歸一化的聲子頻率累積熱導率的對比

圖5 β-Si₃N₄沿a和c軸歸一化熱導率隨晶粒尺度的變化關系。

馮天力教授課題組簡介

Multiscale Energy Transport, Conversion, and Storage（MEX Lab）是多尺度能源傳輸轉換和存儲實驗室，研究涵蓋能源，物理，納米，以及環境。研究包括：超高溫材料的開發以及熱管理，半導體材料的開發以及界面的熱管理，熱電和熱功能材料的開發，隔熱和節能材料以及技術的開發等。

課題組主頁 https://feng.mech.utah.edu

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