【国内论文】APL丨国防科大戴佳钰教授、余晓翔副研究员团队：实验揭示反直觉热输运—α-氧化铝与α-氧化镓热导率相差四倍，最大声子平均自由程却相当

        由国防科技大学戴佳钰教授、余晓翔副研究员的研究团队在学术期刊Applied Physics Letters发布了一篇名为Experimental observation of a fourfold difference in thermal conductivity yet comparable maximum phonon mean free path in α-alumina and α-gallium oxide（α-氧化铝与α-氧化镓热导率相差四倍而最大声子平均自由程相当的实验观测）的文章。

        同主族材料轻元素一定热导率更高、声子平均自由程更长吗？

        晶格热导率是能源输运与转换中的关键参数。在半导体和电介质中，声子是主要的热载流子，其平均自由程决定了材料的热输运行为。

        传统观点认为：对于相同晶体结构的材料，轻元素组成的材料通常具有更高的晶格热导率，因为轻元素往往带来更高的声子群速度和更长的声子平均自由程。然而，最近的理论计算却报道了一个异常现象：与α-Al₂O₃相比，α-Ga₂O₃的晶格热导率仅为其三分之一到四分之一，但最大声子平均自由程反而更大。

        这一反直觉现象亟需实验验证。但问题在于，α-Al₂O₃和α-Ga₂O₃的最大声子平均自由程都很短，约在百纳米量级。要解析它们的声子平均自由程谱，需要极高的调制频率和极小的热穿透深度，实验测量极具挑战。

        研究团队采用宽带频域热反射（BB-FDTR）技术，在100 kHz–172 MHz的超宽频率范围内，测量了刚玉结构的α-Al₂O₃和α-Ga₂O₃单晶的晶格热导率与声子平均自由程谱。最终测得α-Al₂O₃晶格热导率为34.9±1.1 W·m⁻¹·K⁻¹，最大声子平均自由程小于135 nm。α-Ga₂O₃沿[0001]方向的面外热导率：9.2±0.53 W·m⁻¹·K⁻¹，面内热导率：14.1±0.93 W·m⁻¹·K⁻¹，最大声子平均自由程约为120 nm。实验证实二者最大声子平均自由程相当，但热导率差异约4倍。

        采用基于表面外差新方案发展的改进的宽带频域热反射（BB-FDTR）方法，实现百MHz超高加热频率下的热相位信号精确测量，测得低至十纳米量级的热导率声子平均自由程谱，为探测纳米尺度声子弹道输运提供了新手段；

        实验测得室温下α-Al₂O₃热导率为α-Ga₂O₃的4倍但两者最大声子平均自由程相当的反直觉现象，为理解和调控热输运提供新的实验见解；

        实验测得单晶α-Ga₂O₃的热导率及其声子平均自由程谱，填补多项氧化镓热物性数据空白，为基于氧化镓的器件热设计提供关键数据支撑。

        综上，该研究通过BB-FDTR实验，成功测量了α-Al₂O₃和α-Ga₂O₃的晶格热导率与声子平均自由程谱，实验证实：两者最大声子平均自由程相当，约120–135 nm；α-Al₂O₃的晶格热导率约为α-Ga₂O₃的四倍。研究进一步指出：在评估新兴半导体材料的热输运性能时，不能仅凭元素重量判断声子平均自由程，也不能仅凭最大声子平均自由程判断热导率。必须综合考虑声子谱、非谐性以及各声子模式的贡献。这一工作为宽禁带半导体、功率电子器件热管理以及功能材料热输运设计提供了重要参考。

        本研究得到国家自然科学基金（Grant Nos. 12534013, 12304307）和湖南省科技创新计划（Grant Nos. 2025ZYJ001, 2021RC4026）的支持。

图1. (a)100 kHz–172 MHz范围内的灵敏度曲线，显示出高灵敏度，可实现可靠拟合和平均自由程（MFP）提取。(b)α-Al₂O₃热导率的全频段与分段拟合，得到κ=34.9±1.1 W·m⁻¹·K⁻¹，且无频率依赖性。

图2. (a)α-Ga₂O₃在100 kHz–172 MHz范围内的灵敏度曲线，显示出强各向异性以及可忽略的界面和衬底效应。(b)全频段拟合（0.1–75 MHz），得到面外 = 9.2±0.53 W·m⁻¹·K⁻¹，以及有效面内 =14.1±0.93 W·m⁻¹·K⁻¹。

图3. α-Ga₂O₃在高达172 MHz下的全频段与分段拟合结果对比。分段拟合显示高频下面外热导率下降，证明了弹道声子输运。

        通讯作者：戴佳钰，国防科技大学理学院教授、首席专家，博士生导师，国家级领军人才、国家优秀青年基金获得者、获邓稼先青年科技奖，入选教育部青年长江学者、军队高层次科技创新人才工程学科拔尖人才、湖南省科技创新领军人才。主要从事极端条件物质科学研究，在Nature Materials、Physical Review Letters、Nature Communications、The Innovation、National Science Review等期刊发表论文100余篇。

        通讯作者：余晓翔，国防科技大学理学院副研究员，博士生导师，入选军队高层次科技创新人才工程引进青年科技英才、湖南省优秀博士后创新人才、长沙市杰出科技创新人才，获MRE青年科学家奖。主要从事服役条件热物理与器件热管理研究，在Physical Review Letters、Nature Communications等期刊发表论文50余篇。