【国内论文】Acta Materialia丨香港科技大学：应变梯度驱动下 β-Ga₂O₃ 热导率抑制与各向异性解耦

        由香港科技大学的研究团队在学术期刊 Acta Materialia 发布了一篇名为 Strain-Gradient-Driven Decoupling of Thermal Suppression from Anisotropy in β-Ga₂O₃（应变梯度驱动下 β-Ga₂O₃ 热导率抑制与各向异性解耦）的文章。

        Acta Materialia 是材料科学领域的顶级国际学术期刊，主要发表关于无机材料加工、结构与性能之间关系的高质量原创论文、综述与专题文章。该刊重点强调对材料微观结构与宏观性能之间机理性理解的研究，涵盖从原子/分子尺度的晶体结构与缺陷，到材料的功能性和力学行为等内容，既包括实验研究，也欢迎理论、计算、数据科学等多种方法的交叉工作。Acta Materialia 的最新影响因子约为 9.3 左右，并且在材料科学综合与冶金工程等多个分类中位于 Q1 区，反映出其在材料科学界的高学术影响力。

        超宽禁带半导体（UWBGS）是新一代高功率、高频电子与光电器件的核心材料。其中，β-Ga₂O₃ 以其超宽带隙、高击穿电场和优异的 Baliga 品质因子，在功率电子、日盲紫外探测及柔性纳米器件领域展现出突出优势。同时，其较低的杨氏模量和亚微米尺度下的室温塑性赋予了材料一定的内在柔性，使其在柔性与新型器件架构中具有潜在应用价值。

        然而，β-Ga₂O₃ 本征热导率较低，远低于 SiC 和 GaN，已成为限制器件高功率、高频运行和长期可靠性的关键热管理瓶颈。更为复杂的是，在外延生长和器件工作过程中不可避免引入的应变会显著调制其热输运行为。实际器件中，这些应变往往并非理想的均匀应变，而是由于晶格失配、热膨胀失配或器件弯曲等因素，在薄膜厚度或纳米结构尺度上形成明显的应变梯度。

        已有关于 Ga₂O₃ 多晶型热输运的研究主要集中于体材料中均匀应变的理论预测，难以反映真实器件中普遍存在的非均匀应变状态。来自其他半导体材料的研究已表明，应变梯度对热导率的抑制作用往往远强于等效的均匀应变，并可能显著影响热导各向异性和散热行为。但对于晶体结构复杂、声子各向异性显著的单斜相 β-Ga₂O₃ 而言，应变梯度对声子输运的作用机制仍缺乏系统认识。

        因此，有必要在具有第一性原理精度的理论框架下，系统研究均匀应变与应变梯度对 β-Ga₂O₃ 热输运性质的影响，明确非均匀应变在实际器件热管理与结构设计中的关键作用，为超宽禁带半导体器件的热建模与性能优化提供可靠的物理依据。

        β-Ga₂O₃ 是一种新兴的超宽禁带半导体（UWBGS），在高效高频功率电子器件、日盲/紫外光电探测器以及可穿戴与柔性器件等领域具有广阔应用前景，并具备可规模化制造潜力。然而，其本征热导率（k）较低，加之在器件制备与工作过程中不可避免引入的非均匀应变，使得热管理面临严峻瓶颈，进而削弱散热能力、器件可靠性与整体性能。因此，深入理解均匀与非均匀应变对该超宽禁带材料热输运行为的影响，对热管理设计至关重要。尽管如此，在柔性器件与外延纳米结构中普遍存在的应变梯度（η），在 β-Ga₂O₃ 热输运研究中仍是一个显著的认知盲区。

        本研究将基于第一性原理的机器学习原子间势与玻尔兹曼输运方程相结合，揭示了应变梯度 η 能够激活一种在物理本质上比均匀应变（ε）更为强烈的热导抑制机制：在薄膜（纳米线）中，适度的一维应变梯度（0.6%/nm）即可使热导率降低 32–37%（27–30%），在双轴梯度条件下进一步增强至 43.3%。这种抑制幅度不仅远超等效均匀应变的影响，也超过了硅、BAs 等基准材料。值得注意的是，β-Ga₂O₃ 在应变梯度作用下表现出一种独特的“幅值–各向异性解耦”特性：均匀应变（±3%）可使热导各向异性比值改变约 25%，而应变梯度则在显著压低绝对热导率的同时，几乎不改变各向异性比值。这种强烈抑制源于梯度诱导的对称性破缺与增强的模态耦合，它们激活了原本被禁止的声子散射通道，并使得梯度驱动的散射在 6.25 THz 以下频段占据主导。

        与立方晶体（如硅）在弯曲条件下的行为不同——在这类体系中，沿厚度方向的应变梯度主要抑制弯曲方向上的热输运，而对正交的面内方向影响较小，从而实现各向异性的调控——单斜晶系的 β-Ga₂O₃ 由于其非正交晶体学框架，表现出更强的跨方向耦合，使得同一应变梯度能够同时抑制多个热导分量。结果是，各个输运方向上的声子寿命普遍缩短，而声子群速度的同步变化又部分抵消了这种效应，最终在热导率整体塌缩的同时保持了近乎不变的各向异性比值。相比之下，κ-Ga₂O₃ 在应变梯度下仅表现出较弱的热导降低且各向异性显著减弱，进一步证实这种解耦行为是 β-Ga₂O₃ 所特有的。

        这些发现将非均匀应变从一种寄生性缺陷重新定义为一种强有力的设计工具，为下一代柔性及高功率 β-Ga₂O₃ 电子器件中热隔离与热流调控提供了新的工程思路。

        1、揭示应变梯度对 β-Ga₂O₃ 热导率的抑制效应显著强于均匀应变，是影响热输运的主导因素。

        2、构建结合机器学习势函数与声子 BTE 的高精度计算框架，实现纳米尺度应变梯度下的热输运研究。

        3、从声子谱展宽和散射通道激活角度阐明应变梯度增强声子散射的微观机理。

        4、发现应变梯度显著降低热导率，但对热各向异性影响较弱，区别于均匀应变效应。

        5、为 β-Ga₂O₃ 薄膜及柔性器件的热管理建模提供关键物理依据。

        本研究通过将基于第一性原理的机器学习势能与玻尔兹曼输运方程（BTE）及应变梯度模型相结合，揭示了β-Ga₂O₃中的应变梯度（η）引起的热导率抑制机制，与均匀应变（ε）相比具有根本不同且更强的效应。在适度单轴应变梯度 η_z^b = 0.6%/nm 下，薄膜和纳米线（10 nm）分别表现出32–37%和27–30%的热导率（k）显著下降，远超均匀应变的影响，并超过了硅和BAs等领先基准材料。双轴梯度进一步增强了这种抑制作用，比对应的均匀应变强约1.5倍，在 η_z^ab = 0.6%/nm 时达到峰值抑制43.3%——这是迄今报道的最强梯度诱导热导率抑制。

        值得注意的是，与ε不同，ε_b在–3%到3%范围内会使热各向异性比（thermal anisotropy ratio）变化约25%，而η在显著降低k的同时几乎不改变热各向异性，实现了二者的解耦。这一特性保证了工艺引入的应变可以可预测地降低热流，而不会改变设计的热路径——对于器件优化具有重要优势。其机理来源于两种协同效应：梯度引起的对称性破缺和模式间耦合增强。这两者共同激活了原本禁止的声子散射通道，显著扩展了散射相空间。这些效应优先抑制传热主力声子及低能光学声子，在适度 η 下，梯度诱导散射成为0–10 THz热频谱范围内的主导散射机制。此一致，将相同方法应用于正交κ-Ga₂O₃，虽然整体k下降相当，但在相同η下热各向异性受到显著抑制。这一对比表明，梯度激活的声子散射及随之的k抑制在材料间可广泛迁移，但热导率幅值抑制与各向异性演化的解耦效应具有材料特异性，低对称性β-Ga₂O₃对这一效应尤为敏感。

        这些发现表明，η既是设计中的挑战，也是超宽禁带半导体（UWBGS）热管理中的潜在机会。在β-Ga₂O₃器件建模中必须考虑非均匀应变，同时在柔性电子器件中，可利用其普遍存在的非均匀应变实现针对性的热隔离设计。

本工作得到了国家重点研发计划（2024YFB4405700）、韩国国家研究基金会（NRF）通过科学技术信息通信部资助的纳米与材料技术发展计划（RS-2024-00444574）、广东省基础与应用基础研究基金（2025A1515012898）、国家自然科学基金（52576077）、山东省自然科学基金（ZR2025MS874）、山东省高等学校青年创新科技支持计划（2023KJ003）以及山东大学齐鲁青年学者计划的资助。作者感谢山东大学高性能计算云平台、香港科技大学霍英东研究院以及广州南沙国家超级计算中心分中心提供的高性能计算资源。此外，作者还感谢香港科技大学智能传感与环境技术中心通过“产学联合研究前沿技术计划”提供的经费支持。

图 1. 纳米结构中的非均匀应变。示意图：(a) 由于晶格失配引起双轴应变（ε）和应变梯度（η）的异质外延β-Ga₂O₃薄膜；(b) 弯曲且翘曲的柔性β-Ga₂O₃光电探测器，显示垂直方向的非均匀应变η；(c) 受η作用的弯曲β-Ga₂O₃纳米线；(d) 应变梯度模型示意图，其中每个子单元 n 的弹性应变可假定为均匀；(e) β-Ga₂O₃晶体结构的常规晶胞。定义了 x–y–z 坐标系以研究沿 z 方向的应变梯度η，其中 x 和 y 为面内主轴，z 为应变梯度方向。

图 2. 完整计算框架。该计算过程广泛采样第一性原理数据，采用可分离自然进化策略（SNES）和前馈神经网络 [52] 构建势能模型，从而显著减少在不同应变下计算力常数的计算工作量。结合应变梯度模型，可以获得应变梯度对应热传导的影响。

图 3. 神经进化势（NEP）的训练与评估。(a) NEP 训练收敛过程中，训练集和测试集上的能量、力及应力（virial）损失函数变化。 (b–d) NEP 模型预测值与 DFT 参考值的对比，包括能量 (b)、力 (c) 以及应力 (d)。 (e) NEP 模型预测值与 DFT 参考值的能量和力对比，其中误差表示绝对误差。 (f) 无应变 β-Ga₂O₃ 沿高对称路径 (Y–Γ–N–X–Γ–M) 的声子色散，DFT 计算用虚线表示，NEP 计算用实线表示，结果显示两者高度一致。 (g) β-Ga₂O₃ 薄膜沿 [100]（a 轴）、[010]（b 轴）、[001]（c 轴）及 [-201] 方向的热导张量 (k) 分量（如面板 (d) 晶体结构所示），随厚度变化展示（左图），以及对应的体材料值（右图）。

图 4. β-Ga₂O₃ 在单轴和双轴均匀应变下的热导率。β-Ga₂O₃ 在 300 K 下的热导率 (k) 分别在以下条件下计算： (a, d) 块体材料，(b, e) 100 nm 薄膜，(c, f) 10 nm 薄膜。(a–c) 中的红色、蓝色和黄色曲线分别表示在 ε^a、ε^b 和 ε^c 单轴应变下的结果。(d–f) 中的红色、蓝色和黄色曲线分别表示在 ε^ab、ε^ac 和 ε^bc 双轴应变下的结果。圆形、三角形和方形分别代表 k_a、k_b 和 k_c。

图 5. CV、v、τ_i 与热导率 k 的相对变化关系(a) 光谱 CV、(b) v 和 (c) τ_i 在块体 β-Ga₂O₃ 中单轴和双轴应变 ε 下的变化。(d–f) 所有晶向下热平均的 CV、v 和 τ_i 与热导率相对变化 Δk 的相关性，在块体 β-Ga₂O₃ 中单轴和双轴应变 ε 下。

图 6. β-Ga₂O₃ 在沿 b 方向应变梯度下的热传输特性 (a) 不同沿 b 轴单轴应变下 β-Ga₂O₃ 的声子色散。标出了对应 (b) 数据的横向声学 (TA)、纵向声学 (LA) 和光学声子 (OP) 模。 (b) 在选定的 q₁ (0.0, 0.5, 0.5) 和 q₂ (-0.5, 0.5, 0.0) 点下，TA、LA 和 OP 模的声子频率差异展宽。实线和虚线分别为 q₁ 和 q₂ 的线性拟合结果。 (c) 两种 β-Ga₂O₃ 薄膜在不同沿 b 方向应变梯度下的热导率变化。蓝色线为 100 nm 薄膜，橙色线为 10 nm 薄膜。在中等应变梯度 0.6%/nm 下，100 nm 薄膜的 k_a（圆）、k_b（方）、k_c（三角）降低 20%、20.1% 和 22.5%，10 nm 薄膜分别降低 31.8%、35.3% 和 36.6%。 (d) 中等应变梯度下应变梯度诱导的声子寿命倒数映射。 (e) 不同沿 b 方向应变梯度下频率依赖的应变梯度声子寿命倒数与总声子寿命倒数的比值。 (f) 不同沿 b 方向应变梯度下的谱 kb。所有计算均在 300 K 下进行。

图7 不同 η_z^ab 条件下的热输运性质。

图8 ε 与 η 作用下热导率变化与各向异性比（AR）的比较。

DOI：

doi.org/10.1016/j.actamat.2026.121973