微纳尺度传热计算

钎锌矿氮化铝（AlN）、氮化钾（GaN）和氮化铟（InN）作为新一代半导体材料，被广泛应用于电子器件中，比如发光二极管和激光器。通过第一性原理、Monte Carlo模拟、分子动力学、晶格动力学等方法研究半导体材料的热输运性能，如LED芯片中GaN, AlN, InN及其合金等的导热系数，界面导热等。

1. 导热系数的第一性原理计算

图1.  基于实空间超胞方法计算导热系数流程图

2. 纤锌矿AlN、GaN和InN的导热系数

纤锌矿AlN、GaN和InN具有六角密排晶格结构，属于P63mc点群空间，在水平方向上的导热系数各向同性，而与垂直方向上的导热系数不同。研究了水平和垂直方向上的导热系数，并且以这两个方向上导热系数的不同来表征各向异性。对于纤锌矿AlN，导热系数的各向异性较小，可视为各向同性材料。而纤锌矿GaN和InN的导热系数具有较大的各向异性，并且随着温度的降低，各向异性增强。相关结果发表在Appl. Phys. Lett., J. Applied. Phys.等杂志上。

图2 纤锌矿晶体的六角密排晶格示意图     图3 纤锌矿InN在高对称方向上的声子色散关系    图4 纤锌矿GaN导热系数随温度的变化关系

图5 纤锌矿GaN水平方向和垂直方向上平均声速随频率的分布   图6 不同温度下纤锌矿InN导热系数与平均自由程的累积函数

3.  纤锌矿AlxGa1-xN、InxGa1-xN和InxAl1-xN的导热系数

相比于单晶，合金中不同原子的无序分布使得晶格对称性降低，晶格振动受到抑制，导热系数减小。对于合金这种无序系统导热系数的预测比纯晶格更为困难。采用虚拟晶格模型，将合金的无序晶格假设为有序状态，并且与其组分材料有相似的晶格结构，相应的晶格常数和原子位置为各组分晶格参数按浓度的权重平均，计算得到纤锌矿AlxGa1-xN、InxGa1-xN和AlxIn1-xN在300 K时导热系数随组分浓度的变化。相关结果发表在Phys. Rev. B等杂志上。

图7 纤锌矿InxGa1-xN水平方向（实线）和垂直方向（虚线）上导热系数与组分浓度的关系

图8 纤锌矿GaN和Al0.01Ga0.99N中简谐散射率和非简谐散射率随频率的分布函数

代表文章：

1）  Jinlong Ma, Wu Li, Xiaobing Luo*, Intrinsic thermal conductivities and size effect of alloys of wurtzite AlN, GaN, and InN from first-principles, Journal of Applied Physics, Vol:119(12),125702-1-5,2016.

2）   Jinlong Ma, Wu Li, Xiaobing Luo*, Ballistic thermal transport in monolayer transition-metal dichalcogenides: Role of atomic mass, Applied Physics Letters, Vol:18(8),082102-1-5,2016.

3）  Jinlong Ma, Wu Li*, and Xiaobing Luo*, Intrinsic thermal conductivity and its anisotropy of wurtzite InN, Applied Physics Letters, 105, 082103, 2014.

4）  Jinlong Ma, Wu Li*, and Xiaobing Luo*, Examining the callaway model for lattice thermal conductivity, Physical Review B, 90, 035203, 2014.

5）  Jinlong Ma, XinJiang Wang, Baoling Huang*, and Xiaobing Luo*, Effects of point defects and dislocations on spectral phonon transport properties of wurtzite GaN, Journal of Applied Physics, 114, 074311 (2013).