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GaN/金刚石异质结构界面可调热输运与热开关
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作为最有前途的第三代半导体材料之一，第三代半导体材料氮化镓 (GaN) 因其一系列独特的电子特性，如高电子迁移率、高击穿电压、高饱和漏电流、低导通电阻以及~3.4 eV的宽带隙，在高性能电子器件中具有广泛的应用。然而，GaN 的本征导热系数低，且GaN 器件中不断增长的功率密度与超过 300 kW/cm2的热流密度，将导致器件中出现巨大的温升和不必要的热点，限制了器件的性能和可靠性。金刚石具有所有天然材料中最高的导热系数 ，使其成为优良的散热基板。但由于 GaN 和金刚石之间严重的晶格失配率，界面处存在显著的应力集中。并且，金刚石和GaN之间的热膨胀系数不同，在制造过程中亦将不可避免地会产生界面热应力。在纳米尺度上，异质结构的热传输特性对内部或外部机械力非常敏感。当前，针对GaN/金刚石异质结构，TBC 与界面应力之间的相关性仍未得到探索，但这对于 GaN 基高功率电子器件的热管理至关重要。
7月8日，国际期刊《Nanoscale Horizons》在线发表了标题为“Mechanical Regulation to Interfacial Thermal Transport in GaN/Diamond Heterostructures for Thermal Switch (用于热开关的GaN/金刚石异质结构界面热传输的机械调节)”的最新研究成果，英格兰vs伊朗预测 微纳中心博士研究生于小童为文章第一作者，机械学院高远研究员与美国弗吉尼亚大学许宝星副教授为本文共同通讯作者，英格兰vs伊朗预测 智能制造装备与技术全国重点实验室为论文第一完成单位。
该工作完全基于分子动力学计算，揭示了在先前研究中被忽略的界面应力，该应力能够对GaN/金刚石异质结构的界面热传输产生显著影响。同时，在考虑外部机械加载影响的情况下，研究探明了GaN/金刚石异质结构的界面热导在压缩应变加载下显著上升。理论计算阐释了热导上升的机理，即压缩应变加载降低了界面粗糙度并增强了界面处原子间的相互作用强度。并且，研究基于计算结果建立了界面热导-界面粗糙度与外部加载的一般关系，能够结合界面粗糙度与外部加载准确预测GaN/金刚石异质结构的界面热导。以上研究成果为在应变环境中设计热管理器件奠定了理论基础，并为利用力学和热传输之间的相互作用开发智能热器件提供了全新理解和帮助。
该工作首先探讨了GaN/金刚石异质结构初始界面的力学特性。由于 GaN 和金刚石之间严重的晶格失配率，界面处存在显著的应力集中，且应力分布呈明显的图案化形式（图1）。进一步的，对氮化镓-金刚石异质结构的拉/压应力-应变关系进行了研究（图2）。拉伸/压缩应变加载情况下，异质结构的拉断/压溃位置首先出现在界面处；并且，在拉/压应变均不大于5%时，异质结构不会被破坏（图2a和图2b）。界面处在加载过程中作为主要载荷的承担者，沿加载方向的Z向应力变化最为显著；在拉压应变加载下，界面位置发生了变化，这主要是由于金刚石与氮化镓弹性模量的差异导致的，弹性模量小的氮化镓侧变形更为明显（图2c和图2d）。界面处氮化镓与金刚石表面的z向应力分布与大小出现明显差异，金刚石中的应力图案化分布更为显著（图2e）。
应变加载过程中，界面为应力应变集中的主要位置，这将明显改变界面处的性质，并对界面热导产生影响。因此，通过对应变加载下的界面热导变化进行了研究。结果表明，拉伸/压缩应变使得界面热导降低/升高，5%的拉压应变可致界面热导变化400%（图3）。通过对界面处的表面形貌及粗糙度进行分析，发现拉伸/压缩应变增加/减小了氮化镓与金刚石的表面粗糙度，并且由于两者弹性模量的差异，氮化镓表面变化更为明显（图4）。表面粗糙度增加/减小将降低/提升界面处原子间的相互作用强度，从而使得界面热导下降/上升。并且，基于此，建立了界面粗糙度与界面热导的一般关系，可结合界面粗糙度与外部加载准确预测GaN/金刚石异质结构的界面热导（图5）。
进一步的，对应力加载导致界面热导的变化进行了声学分析。应变从拉伸到压缩变化，氮化镓声子谱蓝移，但金刚石无明显变化，这也说明了应变导致界面热导的变化主要是由氮化镓贡献，与前述一致（图6a和图6b）。相较于无应变状态，拉伸应变降低了25THz处的声子重叠，而压缩应变增加了28THz处的声子重叠，声子重叠的减小/增加，导致了界面热导的减弱/增强（图6c）。通过声子重叠区域计算声子重叠能也可以发现，压缩应变会提升界面处的声子重叠能，使得界面热导上升（图6d）。
最后，基于界面热疏运随力学加载变化的现象与机理，我们提出了一种外加应变调节界面热导变化实现灵敏可控的“机械热开关”概念设计（图7）。此热开关可通过外部拉伸和压缩载荷有效调节界面上的热通量，并且具有出色的灵敏度、高响应性和可逆性，未来可用于大功率电子设备散热、热存储系统和热管理等场景。
本研究工作对力学加载下 GaN/金刚石异质结构中界面热传输机制提供了原子级层面的基本理解。该研究的结果和机制对下一代高功率电子设备的热管理具有重要意义，并且纳米级热输运和力学之间的相互作用为具有机械可调性能的大功率电子设备散热器件和热能存储系统的设计和开发提供了深刻的理论指导。