氮化硅(Si3N4)的理論熱導(dǎo)率上限

來源|Applied Physics Letters

01背景介紹

熱管理對(duì)高集成度和高功率密度電子器件的正常運(yùn)行至關(guān)重要。高性能電子器件運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果不能有效及時(shí)地將這些熱量排出，就會(huì)導(dǎo)致器件過熱，進(jìn)而影響性能，甚至損壞器件。優(yōu)秀的熱管理材料應(yīng)當(dāng)同時(shí)具備高導(dǎo)熱性能和機(jī)械性能，以避免器件過熱或斷裂。

氮化硅（Si3N4）因其獨(dú)特的特性在該領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注。由于較強(qiáng)的Si-N鍵，Si3N4陶瓷表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能，在室溫及高溫下均具有較高的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)Si3N4 還具有低熱膨脹系數(shù)和低密度。優(yōu)異的機(jī)械性能往往伴隨著較高的熱導(dǎo)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(dǎo)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(yù)測(cè)室溫下β-Si3N4 的本征熱導(dǎo)率為 200至 320 W/mK。2002年，Hirosaki等人借助經(jīng)驗(yàn)勢(shì)函數(shù)，通過分子動(dòng)力學(xué)(MD) 模擬，得到Si3N4的熱導(dǎo)率沿 a 軸和 c 軸分別為170 和 450 W/mK。但目前實(shí)驗(yàn)中所實(shí)現(xiàn)的最高熱導(dǎo)率僅為177 W/mK，遠(yuǎn)低于上述傳統(tǒng)理論的預(yù)測(cè)值。實(shí)驗(yàn)學(xué)家們普遍將實(shí)驗(yàn)值與理論值的不匹配歸結(jié)為實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室仍在努力嘗試提高氮化硅的熱導(dǎo)率以達(dá)到450 W/mK的理論上限。

02成果掠影

猶他大學(xué)Tianli Feng教授團(tuán)隊(duì)提出，之前的理論上限預(yù)測(cè)值本身并不正確。通過第一性原理，該團(tuán)隊(duì)揭示：室溫下β-Si3N4的理論熱導(dǎo)率上限沿c和a軸分別只有169和57 W/mK，并不是之前認(rèn)為的450 W/mK。此預(yù)測(cè)不需要依靠擬合參數(shù)或經(jīng)驗(yàn)勢(shì)函數(shù)，因此普遍比較準(zhǔn)確。通過預(yù)測(cè)值與多組實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中已經(jīng)達(dá)到理論熱導(dǎo)率上限，因此，實(shí)驗(yàn)上繼續(xù)提高純度和顆粒大小并不會(huì)提高熱導(dǎo)率。作為對(duì)照，文中還計(jì)算了α-Si3N4，其熱導(dǎo)率沿c和a軸分別為116和87 W/mK。

與其他常用的半導(dǎo)體材料（例如SiC、AlN和GaN）相比，盡管Si3N4的化學(xué)鍵和機(jī)械強(qiáng)度相當(dāng)甚至更強(qiáng)，但其熱導(dǎo)率要低得多。比如SiC熱導(dǎo)率是400-500 W/mK，AlN熱導(dǎo)率是325 W/mK，GaN熱導(dǎo)率是200 W/mK。通過對(duì)比SiC和Si3N4的聲子性質(zhì)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Si3N4的較低熱導(dǎo)率是由于其較大的三聲子散射空間和更強(qiáng)的非簡(jiǎn)諧性導(dǎo)致了較低的聲子壽命和平均自由程

此外，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)更大的晶胞（原胞中具有更多的原子）導(dǎo)致的較少聲學(xué)聲子占比并不是低熱導(dǎo)率的原因。研究還表明，只有在晶體顆粒尺寸小于1微米時(shí)，熱導(dǎo)率才會(huì)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(dǎo)率的上限，希望能夠?qū)?shí)驗(yàn)研究有所幫助。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(dǎo)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(yù)測(cè)的Si3N4熱導(dǎo)率隨溫度的變化及與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比；（b）第一性原理預(yù)測(cè)的α-和β-Si3N4熱導(dǎo)率隨溫度變化的對(duì)比。

圖3 室溫下Si3N4熱導(dǎo)率與3C-SiC、6H-SiC、4H-SiC、AlN和GaN的對(duì)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(dǎo)率、（b）聲子群速度、（c）聲子弛豫時(shí)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(dǎo)率的對(duì)比

圖5β-Si3N4沿a和c軸歸一化熱導(dǎo)率隨晶粒尺度的變化關(guān)系。

馮天力教授課題組簡(jiǎn)介

Multiscale Energy Transport, Conversion, and Storage（MEX Lab）是多尺度能源傳輸轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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。