新加坡國立大學Yee Kan?Koh &清華-伯克利深圳學院孫波Nature Materials：位錯在單晶III族氮化物薄膜引起的各向異性傳熱

【成果簡介】

位錯是一種III–V族半導體中十分常見的一維缺陷，嚴重影響器件的傳熱性能，例如氮化鎵高功率電子器件。傳統的非線性彈性模型預測由于刃位錯和螺位錯產生的平面應力場使得只有當聲子垂直于位錯時才會被劇烈散射，若位錯高度定向排列，這種聲子散射各向異性將會導致巨大的傳熱各向異性。而由于材料合成困難，位錯這一外部缺陷引起的聲子散射各向異性還未被實驗證實。新加坡國立大學的Yee Kan?Koh教授和清華-伯克利深圳學院的孫波博士通過時域熱反射技術（TDTR）觀測到了在單晶InN薄膜中由高定向貫穿性位錯引起的強烈的各向異性傳熱。實驗結果表明位錯密度為3×10¹⁰cm^-2溫度為80K時，截面熱導率（沿位錯方向）高于面內熱導率（垂直位錯方向）10倍。這項發現表明可用線缺陷（位錯）調控材料的導熱性能，在各類電子器件熱管理方面有廣闊的應用前景。

根據非線性彈性模型，位錯對聲子的彈性散射主要通過兩種機制：（1）動態散射，可動位錯在吸收一個聲子同時釋放一個聲子，聲子波長需與位錯間兩釘扎點距離可比擬才能發生，但此特征波長的聲子只在極低溫才對傳熱具有顯著影響；（2）靜態散射，聲子散射可發生在位錯核心區也可發生在由位錯引起的應力場中，短程范圍內，聲子被位錯核心區的晶格畸變散射，長程范圍內，聲子被不均勻應力場非諧性散射。Klemens率先使用微擾理論對靜態散射模型分析，發現在德拜溫度以下，長程應力場對聲子的散射遠比核心區強。Carruthers在散射矩陣中使用了更為嚴謹的應變場位移，發現對于刃位錯，聲子散射截面比Klemens預測的大1000倍。但是這兩種模型都無法普適的定量描述已有的實驗結果。

詳細文章請見Nature Materials 18, 136–140 (2019)。本文第一作者為清華-伯克利深圳學院孫波博士，通訊作者為新加坡國立大學Koh?Yee?Kan教授。合作者為慕尼黑工大Gregor?Koblmuller教授及橡樹嶺國家實驗室Carlos?Polanco博士及Lucas?Lindsay研究員。

?【圖文簡介】

本文中，通過異質外延法在GaN基地上定向生長纖鋅礦結構沿（0001）晶向InN薄膜，貫穿型位錯也沿此方向定向排列(圖1)。TDTR/beam-offset?TDTR/Dual?frequency?TDTR三種方法測量了面內（垂直位錯方向）熱導率Λ_||和截面（沿位錯方向）熱導率Λ_⊥，實驗結果發現，相比于其他缺陷（如晶界/缺陷）帶來的微弱各向異性傳熱，低溫下InN薄膜中有巨大的位錯引起的各向異性傳熱，而纖鋅礦晶體結構帶來的本征各向異性可忽略不計。相比于由結構引起的導熱各向異性，本實驗有三個創新點：（1）通過可調控的缺陷證實了位錯引起熱導率各向異性；（2）截面（沿位錯方向）熱導率達到了第一性原理計算得到的本征熱導率，具有T^-1溫度依賴性，面內（垂直位錯方向）熱導率在低溫下被嚴重抑制（圖2a）；（3）由于面內（垂直位錯方向）熱導率Λ_||具有獨特的溫度依賴性，熱導率各向異性比例也表現出強溫度相關性（圖 2b）。室溫下，Λ_||和Λ_⊥在實驗誤差允許范圍內相等，但在低溫下，熱導率具有強各向異性，當位錯密度為2.9×10¹⁰cm^-2時，80K溫度下Λ_⊥/Λ_||達到最大值9.?這不同于由層狀晶體結構引起的聲子散射各向異性（如石墨烯、過渡金屬硫化物、黑磷），聲子-聲子散射在所有晶體方向上具有相同的溫度依賴性，因此各向異性比例與溫度無關。

圖1.InN結構設計及表征。

a.高定向貫穿性位錯InN示意圖；b.InGaN?隔熱層可以讓熱流更多的在InN面內傳輸，增加TDTR測量的靈敏度；c-f.貫穿型位錯InN膜TEM截面圖。

圖2.高定向貫穿型位錯InN薄膜熱導率隨溫度變化關系。

a.平面內和垂直平面熱導率；b.InN薄膜各向異性比例隨溫度變化關系。

對熱導率各向異性形成機制進行進一步探索，一方面截面熱導率的溫度T^-1依賴關系表明在這個維度上熱阻來自于三聲子過程，另一方面低溫下面內熱導率的降低主要來自于位錯引起的聲子各向異性散射。這種單方向的熱導率降低難以用點缺陷、界面、晶界等外部缺陷理論來解釋，因為這些缺陷將會在面內和截面兩個方向上同時產生影響。使用第一性原理計算跟已有模型模擬位錯與聲子之間相互作用時，Klemens模型低估了散射強度，導致計算得到的熱導率比實際實驗中高出一個數量級，而Carruthers模型使用對數應力場，增強了散射強度，在室溫下更符合實際測量結果。然而Carruthers模型低估了在低溫下的位錯對聲子的散射，對不同位錯密度下的熱導率隨溫度的變化規律無法準確模擬。

對于Carruthers模型無法解釋InN面內熱導率溫度相關性，文章中給出了幾點假設：（1）在Carruthers模型中未考慮位錯中心的散射，但計算發現這類散射是可以忽略不計的；（2）經驗模型中低溫下位錯對聲子的散射被低估有可能忽略了位錯應力場的交疊，這在低位錯密度情況下不需要考慮，然而高位錯密度下，應力場的相互作用可能散射長波聲子，然而即使在80K溫度下，起主要傳熱作用的是波長小于5nm的聲子，并不足以與位錯形成的周期性應力場的尺度相比擬；（3）最有可能的情況是，Carruthers模型低估了由于位錯引起的原子間作用力的改變，因此低估了聲子散射的強度，在一階微擾近似計算中難以被準確估計，但是這已經超出了當前的計算能力。

文章中還專門討論了熱導率與位錯密度的關系，在常溫下Λ_||和Λ_⊥變化趨勢相同，隨位錯密度增加，熱導率變化緩慢，即使在高位錯密度下，也不足以對本征熱導率產生影響，說明位錯-聲子之間的散射與聲子-聲子散射相比較小。對于Λ_⊥，即使80K溫度下，位錯密度對熱導率的影響也不明顯，聲子沿位錯方向的散射較弱，然而低溫下Λ_||有明顯的位錯密度依賴性?（圖3）。

通過高定向排列的位錯可實現熱傳導各向異性，這項發現對功率器件熱管理有重要意義。

圖3 .熱傳導性質隨位錯密度變化關系。

a. 平面內，b.垂直平面熱導率隨位錯密度變化關系

文獻鏈接：http://doi.org/10.1038/s41563-018-0250-y

本文由清華-伯克利深圳學院?團隊供稿，材料人編輯部編輯。

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