氮化硅(Si3N4)的理论热导率上限

来源 | Applied Physics Letters

原文 | https://doi.org/10.1063/5.0149298

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背景介绍

热管理对高集成度和高功率密度电子器件的正常运行至关重要。高性能电子器件运行时会产生大量的热量，如果不能有效及时地将这些热量排出，就会导致器件过热，进而影响性能，甚至损坏器件。优秀的热管理材料应当同时具备高导热性能和机械性能，以避免器件过热或断裂。

氮化硅（Si₃N₄）因其独特的特性在该领域受到广泛的关注。由于较强的Si-N键，Si₃N₄ 陶瓷表现出优异的机械性能，在室温及高温下均具有较高的强度和硬度，同时Si₃N₄ 还具有低热膨胀系数和低密度。优异的机械性能往往伴随着较高的热导率，这使其成为具有前景的大功率电子器件基底候选者之一。

热导率是热管理中最重要的性质之一。1995 年，Haggerty 和 Lightfoot 根据 Slack 关系预测室温下β-Si₃N₄ 的本征热导率为 200至 320 W/mK。2002年，Hirosaki等人借助经验势函数，通过分子动力学(MD) 模拟，得到Si₃N₄的热导率沿 a 轴和 c 轴分别为170 和 450 W/mK。但目前实验中所实现的最高热导率仅为177 W/mK，远低于上述传统理论的预测值。实验学家们普遍将实验值与理论值的不匹配归结为实验样品中晶格氧、晶相、晶界等杂质或缺陷的存在。因此很多实验室仍在努力尝试提高氮化硅的热导率以达到450 W/mK的理论上限。

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成果掠影

犹他大学Tianli Feng教授团队提出，之前的理论上限预测值本身并不正确。通过第一性原理，该团队揭示：室温下β-Si₃N₄的理论热导率上限沿c和a轴分别只有169和57 W/mK，并不是之前认为的450 W/mK。此预测不需要依靠拟合参数或经验势函数，因此普遍比较准确。通过预测值与多组实验数据在较宽温度范围内的比较，研究者发现之前的实验中已经达到理论热导率上限，因此，实验上继续提高纯度和颗粒大小并不会提高热导率。作为对照，文中还计算了α-Si₃N₄，其热导率沿c和a轴分别为116和87 W/mK。

与其他常用的半导体材料（例如SiC、AlN和GaN）相比，尽管Si₃N₄ 的化学键和机械强度相当甚至更强，但其热导率要低得多。比如SiC热导率是400-500 W/mK，AlN热导率是325 W/mK，GaN热导率是200 W/mK。通过对比SiC和Si₃N₄的声子性质，团队发现Si₃N₄的较低热导率是由于其较大的三声子散射空间和更强的非简谐性导致了较低的声子寿命和平均自由程。

此外，团队发现更大的晶胞（原胞中具有更多的原子）导致的较少声学声子占比并不是低热导率的原因。研究还表明，只有在晶体颗粒尺寸小于1微米时，热导率才会比较明显的受到尺寸影响。

本研究揭示了正确的Si₃N₄理论热导率的上限，希望能够对实验研究有所帮助。研究成果以“Theoretical upper limits of the thermal conductivity of Si₃N₄”为题发表于《Applied Physics Letters》。

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图文导读

图1（a）α-和（b）β-Si₃N₄的声子色散关系和态密度。

图2 （a）第一性原理预测的Si ₃N ₄热导率随温度的变化及与实验数据的对比；（b）第一性原理预测的α-和β-Si ₃N ₄热导率随温度变化的对比。

图3 室温下Si ₃N ₄热导率与3C-SiC、6H-SiC、4H-SiC、AlN和GaN的对比。AlN和GaN的各向异性并不显著，未展示在图中。

图4 室温下Si ₃N ₄和3C-SiC（a）归一化的平均自由程累积热导率、（b）声子群速度、（c）声子弛豫时间、（d）三声子散射空间、（e）Grüneisen参数和（f）归一化的声子频率累积热导率的对比

图5 β-Si₃N₄沿a和c轴归一化热导率随晶粒尺度的变化关系。

冯天力教授课题组简介

Multiscale Energy Transport, Conversion, and Storage（MEX Lab）是多尺度能源传输转换和存储实验室，研究涵盖能源，物理，纳米，以及环境。研究包括：超高温材料的开发以及热管理，半导体材料的开发以及界面的热管理，热电和热功能材料的开发，隔热和节能材料以及技术的开发等。

课题组主页 https://feng.mech.utah.edu

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