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【国内论文】金陵科技学院&南京大学合作---使用铝替代物提高 β-Ga₂O₃ 的热导率的研究
日期：2025-03-24阅读：79
由金陵科技学院的研究团队在学术期刊 Journal of Applied Physics 发布了一篇名为 Increased thermal conductivity of β-Ga2O3 using Al substitution: Full spectrum phonon engineering（使用铝替代物提高 β-Ga2O3 的热导率： 全谱声子工程）的文章。
项目支持
该项研究得到金陵科技学院科学基金（编号：jit-rcyj-202001）和国家留学基金委奖学金（编号：202308320197）的资助。张教授在南洋理工大学的工作得到了新加坡国家研究基金会（NRF-NRFF13-2021-0010）的奖学金、新加坡科技研究局（A*STAR）的制造、贸易和互联互通（MTC）个人研究补助金（IRG）（补助金编号：M23M6c0100）和中国国家留学基金管理委员会（CSC）的奖学金（补助金编号：202308320197）的支持。M23M6c0100）、新加坡教育部（MOE）学术研究基金三级资助（编号：MOE-MOET32023-0003）、新加坡教育部（MOE）学术研究基金二级资助（编号：MOE-T2EP50222-0014）以及南洋大学助理教授资助（NTU-SUG）。
背景
β-Ga2O3 由于其超宽禁带（4.8 eV）和高击穿电场（8 MV/cm）在高功率电子器件中具有广泛应用。然而，其较低的热导率（10-27 W/m·K）限制了器件的散热能力，从而影响其可靠性和稳定性。该团队提出了一种铝（Al）掺杂 β-Ga2O3 的方法，以优化其热导率，并通过全谱声子工程系统研究其微观热输运机制。
主要内容
提高 β-Ga2O3 的热导率对于优化其在大功率电子设备中的性能至关重要，因为有效的热管理会显著影响其输出功率和可靠性。在这项工作中，研究人员首先使用基于深度学习势的非平衡分子动力学方法计算了 β-Ga2O3 和 (AlxGa1−x)2O3 合金沿 (-201) 方向的热导率。结果表明，沿 (-201) 方向计算得出的 β-Ga2O3 热导率为 16.6 W m−1K−1，与实验测量结果非常吻合。根据研究结果，铝镓比为 1:1 会导致 (AlxGa1−x)2O3 合金的热导率是 β-Ga2O3 的两倍多，而与铝的替代位点无关。(Al0.5Ga0.5)2O3 合金的导热性能之所以增强，是因为光学声子模式的传输特性得到了改善，包括群速度的提高、参与度的增强，以及在更高频率下诱导出新的振动模式。这项研究为提高 (AlxGa1−x)2O3 合金热导率的最佳铝镓比提供了理论预测，为 β-Ga2O3 功率器件的设计和热管理提供了重要启示。
结论
基于深度神经网络模型进行了数值训练，以准确描述 β-Ga2O3 和 (AlxGa1−x)2O3 合金中原子间的相互作用。通过建立描述作用在原子上的能量和力的势函数，能够对 β-Ga2O3 和 (AlxGa1−x)2O3 合金沿 (-201) 方向的热导率进行 NEMD 模拟。计算得出的 β-Ga2O3 热导率为 16.6 W m-1K-1，与实验值非常吻合。
在计算的热导率中，一个令人兴奋的结果是，(Al0.5Ga0.5)2O3 的热导率是 β-Ga2O3 的两倍多，而与 Al 的取代位点无关。根据对光谱热导率、群速度和声子参与比的分析，(Al0.5Ga0.5)2O3 热导率的提高主要是由光学声子模式传输特性的改善所驱动的。这些改进包括新的高频声子振动模式、增加的群速度以及光学声子振动模式参与度的提高，与声子相比，光学声子振动模式在热传输中占主导地位。这项研究从理论上预测，最佳的铝镓比确实能提高 (AlxGa1−x)2O3 合金的热导率，这为设计和研究基于 β-Ga2O3 的功率器件，尤其是热管理器件提供了宝贵的见解。
图 1. (a) β-Ga2O3 的基本单元格，(b) β-Ga2O3 的裂开（-201）面，以及 (c) 基于 NEMD 方法计算沿（-201）方向导热系数的模型。
图 2. (a) β-Ga2O3 的训练数据集和验证数据集中能量（E）和力（F）的均方根误差（RMSE）的损失函数。使用深度学习势能的预测数据集与 AIMD 计算出的 β-Ga2O3 (b) 原子能量和 (c) 原子力的验证数据集之间的比较。(d) (Al0.5Ga0.5)2O3 合金训练和验证数据集中能量和力的均方根损失函数。使用深度学习潜能的预测数据集与 AIMD 计算 (e) 原子能量/原子和 (f) 原子力的验证数据集之间的比较。
DOI：
doi.org/10.1063/5.0249882
