來源|Applied Physics Letters

01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(guān)重要。高性能電子器件運行時會產(chǎn)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(yōu)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(guān)注。由于較強的Si-N鍵，Si3N4陶瓷表現(xiàn)出優(yōu)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(shù)和低密度。優(yōu)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(zhì)之一。1995 年，Haggerty 和 Lightfoot 根據(jù) Slack 關(guān)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(jīng)驗勢函數(shù)，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(xiàn)的最高熱導率僅為177 W/mK，遠低于上述傳統(tǒng)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(jié)為實驗樣品中晶格氧、晶相、晶界等雜質(zhì)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。

02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(shù)或經(jīng)驗勢函數(shù)，因此普遍比較準確。通過預測值與多組實驗數(shù)據(jù)在較寬溫度范圍內(nèi)的比較，研究者發(fā)現(xiàn)之前的實驗中已經(jīng)達到理論熱導率上限，因此，實驗上繼續(xù)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(zhì)，團隊發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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?qū)嶒炑芯坑兴鶐椭?。研究成果以“Theoretical upper limits of the thermal conductivity ofSi3N4”為題發(fā)表于《Applied Physics Letters》。

03圖文導讀

圖1（a）α-和（b）β-Si3N4的聲子色散關(guān)系和態(tài)密度。

圖2 （a）第一性原理預測的Si3N4熱導率隨溫度的變化及與實驗數(shù)據(jù)的對比；（b）第一性原理預測的α-和β-Si3N4熱導率隨溫度變化的對比。

圖3 室溫下Si3N4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Si3N4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(shù)和（f）歸一化的聲子頻率累積熱導率的對比

圖5β-Si3N4沿a和c軸歸一化熱導率隨晶粒尺度的變化關(guān)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(zhuǎn)換和存儲實驗室，研究涵蓋能源，物理，納米，以及環(huán)境。研究包括：超高溫材料的開發(fā)以及熱管理，半導體材料的開發(fā)以及界面的熱管理，熱電和熱功能材料的開發(fā)，隔熱和節(jié)能材料以及技術(shù)的開發(fā)等。