ماتریوشکا آوون در α-gan

درک پویایی شبکه برای مدیریت حرارتی مؤثر در دستگاه های الکترونیکی بسیار مهم است زیرا آواز در اکثر هادی های نیمه هادی ها حاکم است. α-gan به عنوان یکی از مهمترین نیمه هادی های قدرت نسل سوم ، به تمرکز مورد علاقه تبدیل شده است ، با این حال ، دانش در مورد پویایی آوایی آن محدود است. در اینجا ما یک پراکندگی فون Matryoshka از α-GAN را با تکنیک های پراکندگی ایکس ایکس و نوترون مکمل و محاسبات اصول اول نشان می دهیم. چنین دوقلوهای ماتریوشکا در سراسر صفحه پایه فضای متقابل نشان داده شده است که از طریق ایجاد کانال های پراکندگی سه فنون فراوان و برش عمر حالتهای آسیب دیده بیش از 50 ٪ ، تقویت آنارمونیک بودن فون های مرتبط را نشان می دهد. چنین توپولوژی فونون به کاهش حمل و نقل حرارتی درون هواپیما کمک می کند ، بنابراین هدایت حرارتی ناهمسانگرد α-gan است. این نتایج نه تنها پیامدهای مهندسی عملکرد حرارتی α-gan را دارد ، بلکه بینش ارزشمندی در مورد نقش توپولوژی فونون غیر عادی در حمل و نقل حرارتی سایر نیمه هادی های فنی ارائه می دهد.

معرفی

گالیم نیترید (GAN) ، یکی از مهمترین نیمه هادی های قدرت نسل سوم ، برتری در چگالی قدرت و ثبات درجه حرارت بالا به دلیل باند گسترده و هدایت حرارتی بالا 1،2،3،4 (230 W-1 K-1 در دمای اتاق 5،6،7،8 گزارش شده است) ، از جمله بسیاری دیگر از خواص مطلوب دیگر. برای مینیاتوریزه کردن بیشتر لوازم الکترونیکی با قدرت بالا 4 ، تلاش های زیادی برای مطالعه ترمودینامیک α-gan (ساختار وورتزیت ، شکل 1A و یادداشت تکمیلی 1 در اطلاعات تکمیلی) اختصاص یافته است. با این حال ، دانش در مورد پویایی آوایی آن محدود است ، و هنوز به سؤالات کلیدی پاسخ داده نشده است. به عنوان مثال ، اندازه گیری های تجربی موجود از رابطه پراکندگی فونون α-gan به شرایط محیط محدود می شود ، و فرآیندهای پراکندگی فونون و اثرات دما اکثراً 9،10 قابل کشف نیست. علاوه بر این ، حمل و نقل حرارتی ناهمسانگرد α-GAN در امتداد A-(در هواپیما) و C- محور (خارج از هواپیما) به دلیل چالش های موجود در اندازه گیری حمل و نقل 7،11،12،13،14،15 بحث برانگیز است، 16،17،18 و محاسبات 3،19،20،21. بنابراین ، درک جامع تر از پویایی آوایی برای بررسی حمل و نقل حرارتی و سایر خصوصیات ترمودینامیک GAN مهم است.

مهندسی توپولوژی فونون یکی از اصلی ترین راهکارهای دستکاری خواص حرارتی از طریق مهندسی فونون علاوه بر دوپینگ 22 ، ایجاد محلول جامد 23 ، مهندسی ایزوتوپی 24 و نانوساختار 25 است. بسیاری از خصوصیات جدید ، مانند هدایت حرارتی کم 26،27،28 ، گسترش حرارتی منفی 29 و انتقال فاز غیر عادی 30 ، می تواند به توپولوژی پراکندگی فونون عجیب و غریب ، به عنوان مثال ، رفتارهای عبور/عبور از 3132 ، واج آکوستیک صوتی بسته بندی شود. 33 ، و آبشار پراکندگی 34. به تازگی ، رفتارهای پراکندگی فون محلی نشان داده شده است که کانال های پراکندگی سه فنون آکوستیک-نوری را تقویت می کند ، تقویت می کند و از 35،36 سرکوب حمل و نقل حرارتی شبکه را سرکوب می کند.

در اینجا ما یک پراکندگی پراکندگی فون مانند Matryoshka مانند هواپیما را گزارش می کنیم ، که در آن پراکندگی های نوری و آکوستیک فونون مانند عروسک های لانه سازی هستند (شکل 2 و مکمل یادداشت 2). چنین رفتاری در کریستال های تک α-gan توسط هر دو پراکندگی اشعه ایکس غی ، و پراکندگی نوترونی غیراستیک (INS) مشاهده می شود و با محاسبات اصول اول تأیید می شود. دوقلوی آوون Matryoshka بزرگی زیادی از کانال های پراکندگی آکوستیک-نوری را فراهم می کند و به کاهش هدایت حرارتی درون هواپیما کمک می کند و منجر به هدایت حرارتی ناهمسانگرد α-GAN می شود. این نتیجه توسط طول عمر آوایی که از طریق پراکندگی خطوط پراکندگی اندازه گیری می شود پشتیبانی می شود و بینش ارزشمندی از مهندسی توپولوژی فونون برای مدیریت حرارتی ارائه می دهد.

نتایج و بحث

رفتار دوقلوی آوون Matryoshka در α-gan

پراکندگی آوایی α-gan توسط ixs در زیر شکاف فونون در حدود 45 مگلت اندازه گیری شد ، همانطور که در شکل 1a برای 300 K نشان داده شده است (اندازه گیری پراکندگی در 50 و 175 K را می توان در شکل 3 و یادداشت مکمل 3 یافت. بشراندازه گیری ها با محاسبات اصول اول و نتایج قبلی IXS 9 توافق عالی دارند. از همه مهمتر ، دو بخش موازی در امتداد جهت γ-M و γ-K در منطقه بریلوین (BZ) یافت شد ، که نشان دهنده رفتار لانه سازی پراکندگی 35: اختلاف انرژی تقریباً ثابت در حدود 16 م وست در امتداد جهت γ-M است ، در حالی که این است. در حدود 15 مگاوات در امتداد جهت γ - K. شاخه تو در تو در تو در محدوده q بالاتر (در محدوده q بالاتر (در متن زیر به عنوان "قوس" گفته می شود) ، در محدوده q پایین و نوری کم انرژی (LEO) در محدوده Q پایین و آکوستیک طولی (LA) تشکیل شده است ، در حالی که پایین لانه های پایینشاخه یکی از شاخه های آکوستیک عرضی است (TA₂). شکل 1b - E نشان می دهد که چگونه TA₂و شاخه های قوس با انتقال حرکت در 300 K یکدیگر را ردیابی می کنند (سایر تحولات شاخه فونون و وابستگی دما برخی از آوای نوری به ترتیب در شکل های تکمیلی 4 ، 5 و یادداشت تکمیلی 3) نشان داده شده است. به وضوح می توان مشاهده کرد که ، در هر دو جهت γ - M و γ-K ، انرژی این حالت های فونون رفتارهای پراکنده مشابهی را با افزایش Q نشان می دهد و منجر به یک بخش تقریباً موازی بین شاخه ها می شود.

یک آزمایش INS برای اندازه گیری دینامیک کامل شبکه فونون در فضای متقابل برای تکمیل داده های IXS انجام شد ، که فقط جهت های تقارن بالا را انتخاب می کنند. حساسیت دینامیکی اکتسابی ، χ ″ (q ، E) ، در شکل 2 به عنوان برش های دو بعدی در امتداد جهت γ-M ، γ-K و γ-A در 14 (شکل 2A ، D ، G) و300 K (شکل 2B ، E ، H) ، با اصول اول محاسبه پراکندگی فنون پوشانده شده است. محاسبات χ ″ (q ، E) (شکل 2C ، F ، I) بر اساس ویژه های واج فون اول با اندازه گیری INS موافق هستند (شکل 2B ، E ، H). رفتار لانه سازی TA₂و شاخه های ARC را می توان به وضوح در امتداد جهت γ - M در هر دو آزمایش و محاسبه شده χ ″ (Q ، E) مشاهده کرد. رفتار لانه سازی TA₂و شاخه های قوس نیز می توانند در امتداد γ-K مشاهده شوند ، اگرچه شدت χ ″ (Q ، E) به دلیل ضریب ساختار پراکندگی ضعیف تر است.

به طور مشترک با تجزیه و تحلیل نتایج IXS و INS ، قابل توجه است که رفتار لانه سازی پراکندگی فونون در سراسر صفحه پایه در BZ از α-gan (شکل 1b و یادداشت تکمیلی 1) به نمایش گذاشته می شود ، همانطور که توسط حجم و مقطع تجسم می شودنماهای اندازه گیری شده χ ″ (q ، e) در 300 K در شکل 3 a-d (نتایج در 14 K در شکل 6 و یادداشت مکمل 4 نشان داده شده است). مشابه واج ها در امتداد جهت های تقارن بالا در شکل 2 ، واج ها در امتداد جهت های تقارن غیر بلند رفتار لانه سازی مشابهی را نشان می دهند (برش های اضافی و زاویه های بصری را می توان در شکل 7 و یادداشت مکمل 4 یافت. چنین پدیده ای را می توان به وضوح توسط سطوح پراکندگی فونون در شکل 3E از محاسبه اصول اول نشان داد (همچنین توسط پراکندگی فونون محاسبه شده در شکل 8 و یادداشت تکمیلی 5 نشان داده شده است). در صفحه پایه فضای متقابل ، تو تو در تو₂و سطوح پراکندگی فونون قوس به طور مشابه مخروطی شکل و در یک رفتار دوقلو شبیه به ماتریوشکا لانه می شوند (شکل 3E). چنین دوقلوهای Matryoshka توسط محاسبات اصول اول و کانتورهای طرح ریزی INS منعکس می شود (شکل 3F ، G و تکمیلی شکل 8 و یادداشت تکمیلی 5). مشابه مورد CUCL که در آن لانه سازی آوایی ناشی از عدم تطابق شعاع یونی 36 است ، عدم تطابق شعاع بزرگ یونی از اتمهای N (0. 75 Å) و Ga (1. 62 Å) نیز مسئول دوقلو آوایی Matryoshka در α-gan هستند. علاوه بر این ، چنین رفتار Matryoshka همچنین ممکن است به دو چهار ضلعی [GAN4] در امتداد C-axis در ساختار کریستال نسبت داده شود. بر خلاف تک لایه GAN 3 ، واحدهای چهار ضلعی دوتایی در امتداد C-axis باعث تاشو شاخه TA از مرز منطقه (نقطه A) می شوند و در نتیجه منجر به کم انرژی قوس در γ-point می شوند. چنین دوقلوهای ماتریوشکا ممکن است با کاهش محدودیت انتقال حرکت ، کانال های پراکندگی سه پونون گسترده را در α-gan فراهم کند ، بنابراین فضای فاز پراکندگی فونون را گسترش می دهد. به عنوان مثال ، در یک فرآیند انتشار سه Phonon که در آن یک حالت فونون در شاخه قوس (q)_قوس، Ω_قوس) در دو حالت آوایی پوسیده می شود (q₁، Ω₁) و (س₂، Ω₂) ، برای حالت (q₁، Ω₁) در شاخه قوس نزدیک نقطه γ ، ما همیشه می توانیم یک TA پیدا کنیم₂حالت (س₂= س_قوس- q₁، Ω₁= Ω_قوس- Ω₁) در صفحه پایه که چنین پراکندگی را امکان پذیر می کند (شکل مکمل 9 و یادداشت تکمیلی 6). این رفتار پراکندگی مطابق با گزارش اخیر از فضای پراکندگی آوون وزنی در α-gan است ، که نشان می دهد فرایند انتشار به طور قابل توجهی بزرگتر از فرآیند جذب در انرژی از 20 تا 40 مگاوات است (~5 thz به~10 THz) ، (تکمیلی شکل 10A و یادداشت تکمیلی 7) 6 مطابق با محدوده انرژی شاخه قوس در دوقلوهای ماتریوشکا.

تأثیر دوقلوی آوون Matryoshka بر میزان پراکندگی آنهرمونیک

پهنای باند Phonon از α-gan در 300 K با استفاده از IX با استفاده از توابع انرژی و وضوح حرکت ، INS با استفاده از عملکرد وضوح انرژی ، و طیف سنجی رامان (در γ-نقطه) بدون در نظر گرفتن وضوح ابزار ، از IX استخراج شد. نتایج INS در اندازه گیری IXS نسبتاً مطابق با اندازه گیری IXS است (شکل مکمل 10B و یادداشت تکمیلی 7). طیف سنجی رامان (https://chenwli. com/facilites/) یک خط خط 0. 8 meV برای شاخه قوس در نقطه γ (شکل 4D) می دهد ، جایی که سطح خط نیز توسط INS باریک است. اگرچه عرضهای خط آویز اندازه گیری شده بین تکنیک های مختلف به دلیل عملکردهای مختلف وضوح متفاوت ، متفاوت است ، منطقی است که آنها را در یک تکنیک مقایسه کنیم تا تفاوت پهنای خط بین واج های مربوط به دوقلوهای ماتریوشکا و سایر شاخه ها را تعیین کنیم. پهنای باند فون متناسب با کل پراکندگی از کلیه فرآیندهای 35،37 و تحت سلطه تعامل آنورمونیک فونو ن-پونون در α-gan است. همانطور که در شکل 4a نشان داده شده است ، در حالی که خطوط خط اکثر حالت های فونون بین 0. 5 تا 1. 5 مگاوات است ، خطوط خطی از حالت های فونون در TA₂و شاخه های قوس بسیار گسترده تر و دو برابر برخی از حالت های فونون دیگر هستند. این عرضهای بزرگ نشان می دهد که واج های تو در تو به شدت از سایرین پراکنده می شوند و منجر به طول عمر فنون حالت های تو در تو می شوند که بیش از 50 ٪ کاهش می یابد. در شکل 4b ، c ، مشخص شده است که خطوط خط حالت های فونون در TA₂شاخه های قوس (کم q به و بالا در LA) بسیار بزرگتر از شاخه های نوری با انرژی بالا (HEO) در امتداد جهت γ- M و آنهایی هستند که در شاخه های HEO و LEO در امتداد جهت γ- A هستند. نرخ پراکندگی آنورمونیک به عنوان 38 بیان شده است

جایی که V پتانسیل متقابل مرتبه سوم ، ω است_{q s}فرکانس آوایی حالت آوایی از WaveVector q و شاخص شاخه S و N است که اشغال Bose است. این میزان پراکندگی آنهرمونیک توسط هر دو پتانسیل متقابل مرتبه سوم و فضای فاز پراکندگی فونون تعیین می شود: اولی نشان دهنده قدرت پراکندگی است و دومی نشان دهنده فضای فاز کانال های پراکندگی موجود 39 است. پهنای بزرگ خط واج های درگیر در دوقلوهای ماتریوشکا نشان می دهد که چنین رفتاری به طور قابل توجهی پراکندگی سه پونون را در α-gan ترویج می کند.

برای روشن کردن زرنگ بودن حالت های فونون در شاخه قوس در α-gan ، تکامل انرژی فونون در q = 0. 1 در امتداد جهت γ-M در یک محدوده دمای گسترده با عبارت زیر 40 قرار گرفت

$ $ امگا _<<<<<<<mathrm>>>>>>>(t) ، = ، omega (0) ،- ،<<<<<<<mathrm>>>>>>>left(><<2k_<<<<<<<mathrm>>>>>>>T>>> ,-, 1> ight)> درست) $ $

جایی که A و Ω (0) ثابت هستند و ω_A(t) انرژی فون وابسته به دما است. نتیجه در شکل 5a یک لنگرمونیک متوسط را در زیر دمای Debye نشان می دهد (~636 k) 11 ، پشتیبانی شده توسط اختلاف متوسط بین ایزوباریک تجربی 41 و حالت حجمی محاسبه شده پارامترهای Grüneisen 42 (شکل 5b) ، جزئیات موجود در یادداشت مکمل 8 را مشاهده کنید. q = 0. 1 در امتداد جهت γ - M (شکل 5C) فقط کمی از رفتار هارمونیک فاصله می گیرد ، که نشانگر بیهوشی متوسط است (eigenvectors phonon در درج در شکل 5C نشان داده شده است). با توجه به چنین زراعت متوسطی ، تأیید شده است که خطوط بزرگ خط های فونون در TA₂و شاخه های قوس توسط فضای فاز پراکندگی بزرگ شده از کانال های پراکندگی وسیع ناشی از دوقلو ماتریوشکا حاکم است.

تأثیر دوقلوهای آوایی Matryoshka بر هدایت حرارتی ناهمسانگرد

هدایت حرارتی ناهمسانگرد α-GAN اخیراً توجه فشرده ای را به خود جلب کرده است زیرا برای مدیریت گرما در الکترونیک برق بسیار مهم است ، جایی که α-gan یک مؤلفه اصلی است. با این حال ، پاسخ بحث برانگیز است: با توجه به دشواری اندازه گیری هدایت حرارتی ناهمسانگرد 7 ، محاسبات نظری قبلی گزارش داد که هدایت حرارتی درون هواپیما بیشتر از خارج از هواپیما است در حالی که دیگران نتایج مخالف 3،5،6 را نشان دادند، 19،20. در بین این گزارش ها ، سه محاسبه نظری اخیر نشان داد که هدایت حرارتی درون هواپیما کمتر است. شین و همکاران. گزارش شده است که هدایت حرارتی داخل هواپیما و خارج از هواپیما 280 و 325 W-1 K-1 است که نسبت ناهمسانگردی 14 ٪ 3 است. وو و همکاران. 19 و یانگ و همکاران. 20 گزارش داد که هدایت حرارتی داخل هواپیما و خارج از هواپیما 228 و 260 W-1 K-1 است که نسبت ناهمسانگردی 12 ٪ است. این دو گزارش هر دو توافق خوبی با مقدار اندازه گیری شده در حدود 230 W-1 K-18 نشان می دهند و بنابراین مرجع نسبتاً قابل توجهی برای ناهمسانگردی هدایت حرارتی α-GAN ارائه می دهند.

درک وابستگی دمایی هدایت حرارتی ناهمسانگرد مستلزم در نظر گرفتن تغییرات نرخ پراکندگی فونون ناهارمونیک و سرعت پراکندگی/گروه فونون 26 است، همانطور که در معادله زیر نشان داده شده است:

$$kappa ,=, mathop <<<<<<<<mathbf>>>>>>><it>> >>>>>>><it>>v_<<<<<<<<mathbf>>>>>>><it>>limits_<<<<<<<<mathbf>>>>>>><it>>>$$

^2 au _<<<<<<<<mathbf>>>>>>><it>>جایی که (C_<<<<<<<<mathbf>>>>>>><it>>) ظرفیت گرمایی است، (v_<<<<<<<<mathbf>>>>>>><it>>) سرعت گروه و ( au _₂) طول عمر فونون بردار موج q و شاخص شاخه s . معمولاً فونون های نوری صوتی و کم انرژی نسبت به سایر حالت های کمتر پراکنده بیشتر به هدایت حرارتی کمک می کنند، بنابراین فقط سهم آنها در اینجا در نظر گرفته می شود. سرعت گروه فونون آکوستیک وابسته به دما از طیف فونون اندازه گیری شده استخراج شد (شکل 2)، همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است. در امتداد جهت های درون صفحه (Γ‒M و Γ‒K). برای LA (TA

) شاخه، سرعت گروه فونون در امتداد Γ‒A به ترتیب 1%، 1. 7% و 0. 8% (3. 7%، 3% و 4%) بزرگتر از سرعت گروه فونون در امتداد Γ‒M در 14، 50 و 300 K است. این رفتار نشان می دهد که ناهمسانگردی سرعت گروه فونون آکوستیک جزئی است و ممکن است ناهمسانگردی هدایت حرارتی قابل توجهی در α-GaN ایجاد نکند._gجدول 1 سرعت گروهی ( v₂) آکوستیک طولی (LA) و آکوستیک عرضی دوم (TA

) فونون ها در امتداد جهت های تقارن بالا از داده های تجربی.₂همانطور که قبلاً بحث شد، اثرات دوقلویی ماتریوشکا در صفحه بر روی نرخ پراکندگی فونون های درون صفحه قابل توجه است که توسط پهنای خط غیرعادی بزرگ حالت های درگیر در 300 K نشان داده شده است. در شکل 4، Arc, TA نشان داده شده است.₂و سایر شاخه های درون صفحه دارای پهنای خط فونون به ترتیب حدود 2. 3، 2 و 1. 3 مگا ولت هستند. HEO خارج از صفحه و شاخه های دیگر (LEO، TA و LA) به ترتیب دارای پهنای خط فونون در حدود 1. 5 و 1. 2 مگا ولت هستند. با توجه به وضوح ابزار، طول عمر فونون TAو قسمت q بالای LA 1 تخمین زده می شود₂/LA، TA

شاخه های قوس (به) تقریباً 8 ٪ ، 40 ٪ و 48 ٪ پایین تر از جهت در جهت داخل هواپیما از جهت خارج از هواپیما تخمین زده می شوند. دوقلو ماتریوشکا پراکندگی سه فنون آکوستیک-نوری در α-gan را تقویت می کند و بنابراین هدایت حرارتی درون هواپیما را کاهش می دهد ، به خصوص در دماهای بالاتر از دمای Debye ، هنگامی که حمل و نقل حرارتی شبکه توسط فعل و انفعالات فونون-پونون حاکم می شود. بنابراین ، ناهمسانگردی هدایت حرارتی بیشتر نتیجه رفتار دوقلو است. اگر چنین دوقلوهای آوایی Matryoshka توسط مهندسی فونون از طریق کرنش یا دوپینگ سرکوب شود ، ممکن است خواص حمل و نقل حرارتی درون هواپیما α-gan به طور بالقوه برای مدیریت حرارتی بهتر در دماهای بالا افزایش یابد.

نتیجه

از طریق ترکیبی از آزمایشات پراکندگی X و پرتونگاری Neutrantic و محاسبات اصول اول ، یک دوقلو آوایی Matryoshka در سراسر صفحه پایه BZ در α-GAN یافت می شود. این پدیده تعداد زیادی از کانال های پراکندگی سه پونون را ایجاد می کند و منجر به پراکندگی فون آنهرمونیک پیشرفته می شود ، که توسط پهنای باند های فون بزرگ غیر عادی نشان داده شده است. پراکندگی های فون در هواپیما قوی به دلیل دوقلوهای آوایی ماتریوشکا ، هدایت حرارتی درون هواپیما α-gan را سرکوب می کنند و ناهمسانگردی حمل و نقل حرارتی را تقویت می کنند ، در حالی که سرعت گروه فونون آکوستیک آن نسبتاً ایزوتروپیک باقی مانده است. تقویت و سرکوب چنین دوقلوهای آوایی Matryoshka توسط مهندسی فونون می تواند وسیله ای ارزشمند برای کنترل حمل و نقل حرارتی شبکه در بسیاری از مواد مرتبط ، مانند دستگاه های الکترونیکی ، ترموالکتریک و موانع حرارتی فراهم کند.

مواد و روش ها

تهیه نمونه

آزمایش های پراکندگی غیرقانونی

اندازه گیری های پراکندگی اشعه ایکس غیر مستعار~آزمایش IXS با وضوح بالا برای اندازه گیری پراکندگی فونون از یک کریستال α-GAN (ضخامت 250 میکرومتر ، صفحه پایین تر از شکل 1C و یادداشت مکمل 1) در 50 ، 175 و 300 K انجام شد. اندازه گیری ها انجام شددر 30-ID-C (پرتوی پراکندگی اشعه ایکس با وضوح بالا ، HERIX) در منبع فوتون پیشرفته (APS) 43،44. انرژی فوتون حادثه بود

23. 7 کیلو ولت با وضوح انرژی Δ E 1. 2 م وست و وضوح حرکت 0. 65 نانومتر - 1. کریستال منفرد توسط لاک به یک پست مس وصل شد و پست مس در یک کریستات چرخه بسته سوار شد. اندازه گیری IXS در حالت موج ثابت در هندسه بازتاب انجام شد. ماتریس جهت گیری با استفاده از قله های Bragg در (4 0 0) ، (0 0 4) ، (0 0 5) و (2 2 0) تعریف شد.

اندازه گیری پراکندگی نوترونی غیرقانونی_iاندازه گیری INS بر روی یک کریستال منفرد بزرگتر (φ = 5 سانتی متر ، پانل فوقانی شکل 1C و یادداشت تکمیلی 1) در طیف سنج هلی کوپتر با دامنه زاویه ای گسترده ، طیف سنج نوترون زمان از نور در منبع نوترون پراکنده انجام شد.(SNS) در آزمایشگاه ملی اوک ریج 45. انرژی حادثه ای

= 50 مگ ولت و فرکانس هلر فرمی از 420 هرتز برای بهینه سازی وضوح انرژی ابزار استفاده شد. در پراکندگی الاستیک ، وضوح انرژی 2 م وست است. برای INS ، محور [110] عمودی تنظیم شد و هواپیمای پراکندگی برای به دست آوردن فون های درون هواپیما و خارج از هواپیما در 14 ، 50 ، 300 و 630 K انتخاب شد. هنگام جمع آوری داده ها ، 1 درجه از مرحله استفاده شد. با چرخش از 90 درجه تا 90 درجه برای 300 K و مرحله 2 درجه با دامنه چرخش از 70 درجه تا 50 درجه برای سایر دمای استفاده شد. به دلیل هندسه نمونه بستر ، جذب نوترون بسیار اندک است که پرتو حادثه نزدیک عمود بر سطح بستر باشد. جذب نوترون به طور قابل توجهی آمار شمارش را کاهش می دهد که پرتوهای نوترون حادثه و پراکنده تقریباً به موازات سطح بستر هستند ، اما این بر اندازه گیری پراکندگی تأثیر نمی گذارد. کاهش داده ها با استفاده از برنامه Mantid 46 انجام شد. داده ها با استفاده از شار نوترون حادثه انباشته شده نرمال شدند و اصلاح راندمان آشکارساز بر اساس پراکندگی ناسازگار استاندارد وانادیوم اعمال شد.

پراکندگی پردازش داده ها_Tداده های INS نشان داده شده در کار حاضر برای دمای نمونه برای به دست آوردن حساسیت دینامیکی ، χ ″ (q ، e) = s (q ، e)/[n اصلاح شده است._T(ه) + 1] ، جایی که n

(ه) مخفف توزیع Bose ، S (Q ، E) فاکتور ساختار دینامیکی پراکندگی چهار بعدی 47 است_{جایی که ( overline b _d ) طول پراکندگی نوترون است ، q = k - k ′ انتقال موج است و k ′ و k موج دهنده نهایی و حادثه ذرات پراکنده هستند. q موج موج فون ، ω است}حرف_{مقادیر ویژه ای از فونون مربوط به شاخص شاخه S ، τ بردار شبکه متقابل است ، D شاخص اتم در سلول واحد ، r است}د_{مقادیر ویژه ای از فونون مربوط به شاخص شاخه S ، τ بردار شبکه متقابل است ، D شاخص اتم در سلول واحد ، r است}د_{فاکتور Debye-Waller مربوطه است و E}DS

آیا واجدانهای واج است. برای q داده شده ، طیف های پراکندگی اندازه گیری شده با مدل 48-Harmonic-Harmonic-Harmonic مجهز شدند<1><<pi M>>$ $ s ( omega) ، = ، [1 ،+ ، n ( omega)] frac<<gamma omega>> <<left( <omega ,-, omega _0> ight)^2 ,+, (gamma omega )^2>>$$

شکستن₀جایی که M جرم مؤثر است ، ω

آیا انرژی فونون لخت در غیاب نیروهای میرایی است ، و 2 γ یک عامل میرایی است که میزان پراکندگی فونون را توصیف می کند. n توزیع بوز است. انرژی فونون لخت و خطوط خط فونون با استفاده از همبستگی با هر دو توابع انرژی ابزار و وضوح حرکت ، استخراج می شود ، که دومی از آن اثر شیب فون های بسیار پراکنده را بر روی عرض های خط از بین می برد.

محاسبات اول اصول

اولین محاسبات اصول بر اساس نظریه عملکردی چگالی همانطور که در بسته شبیه سازی وین AB Initio 49 اجرا شد ، انجام شد. انرژی همبستگی مبادله با استفاده از عملکرد تقریبی چگالی موضعی محاسبه شد و از پتانسیل های موج و اوج پروژکتور استفاده شد (4S 2 4p 1 برای GA و 2S 2 2p 3 برای N). برای گسترش موج هواپیما در فضای متقابل ، ما از 600 ولت به عنوان مقدار قطع انرژی جنبشی استفاده کردیم. q-mesh به عنوان 5 × 7 × 7 انتخاب شد. معیارهای همگرایی برای کل انرژی به 1 × 1 0-8 ولت تنظیم شد ، و برای نیروی اتمی 1 0-3 eV/Å بود. ساختار کاملاً آرام بود و ثابت های شبکه ، A = B = 3. 188 Å ، C = 5. 190 Å ، کمی کوچکتر از مقادیر آزمایشی هستند (A = B = 3. 191 Å ، C = 5. 191 Å از HERIX در 300 K). پراکندگی فونون α-GAN در سطح تقریب هارمونیک با استفاده از بسته فونوپی 50 با سوپرکل 3 4 4 4 4 4 α- گان حاوی 192 اتم محاسبه شد.

در دسترس بودن داده ها

تمام داده های مورد نیاز برای ارزیابی نتیجه گیری در مقاله در مقاله و/یا انجیر تکمیلی موجود است. 1-10داده های اضافی مربوط به این مقاله ممکن است از نویسندگان درخواست شود.

1. منابع
2. Amano ، H. et al. نقشه راه الکترونیک GAN Power 2018. J. Phys. D Applفیزیک51 ، 163001 (2018). Articleadsgoogle Scholar
3. Chung ، K. ، Lee ، C. H. & Yi ، G. C. لایه های GAN قابل انتقال که بر روی لایه های گرافن با روکش ZnO برای دستگاه های نوری تولید شده رشد می کنند. Science 330 ، 655-657 (2010). Articleadsgoogle Scholar
4. Qin ، Z. ، Qin ، G. ، Zuo ، X. ، Xiong ، Z. & Hu ، M. هدایت حرارتی کم به صورت مجری از نیترید گالیم تک لایه (GAN) با ساختار لانه زنبوری مسطح: یک مطالعه مقایسه ای. Nanoscale 9 ، 4295-4309 (2017). Articlegoogle Scholar
5. Ebrahimi ، K. ، Jones ، G. F. & Fleischer ، A. S. بررسی فناوری خنک کننده مرکز داده ، شرایط عملیاتی و فرصت های بازیابی گرمای زباله های درجه پایین. تجدیدپایدارانرژیوحی 31 ، 622-638 (2014).
6. Lindsay ، L. ، Broido ، D. A. ، & Reinecke ، T. L. هدایت حرارتی و اثر ایزوتوپ بزرگ در GAN از اصول اول. فیزیکروحانی لت. 109 ، 095901 (2012).
7. Yang ، J. Y. ، Qin ، G. & Hu ، M. سهم غیر متعارف از تعامل الکترونی-پونون Fröhlich به هدایت حرارتی شبکه از Wurtzite GAN. کاربردفیزیککاهنده109 ، 242103 (2016). Articleadsgoogle Scholar
8. ژنگ ، س. و همکاران. هدایت حرارتی GAN ، 71 GAN و SIC از 150 K تا 850 K. Phys. Rev. Material 3 ، 014601 (2019). Articleadsgoogle Scholar
9. Mion ، C. ، Muth ، J. ، Preble ، E. & Hanser ، D. وابستگی دقیق هدایت حرارتی نیترید گالیم بر تراکم جابجایی. کاربردفیزیککاهنده89 ، 092123 (2006). Articleadsgoogle Scholar
10. روف ، T. و همکاران. منحنی های پراکندگی فونون در Wurtzite-Structure GAN که توسط پراکندگی اشعه ایکس غیرقانونی تعیین می شود. فیزیکروحانی لت. 86 ، 906 (2001). Articleadsgoogle Scholar
11. Nipko ، J. C. & Loong ، C. K. تراکم آوون از حالت های نیترید گالیم فله. کاربردفیزیککاهنده73 ، 34-36 (1998). Articleadsgoogle Scholar
12. Adachi ، K. et al. ثابت الاستیک GAN بین 10 تا 305 K. J. Appl. فیزیک119 ، 245111 (2016). Articleadsgoogle Scholar
13. Shibata ، H. et al. هدایت حرارتی بالا کریستال های گالیم نیترید (GAN) که توسط فرآیند HVPE رشد می کنند. مادرترانس. 48 ، 2782 2786 (2007). Articlegoogle Scholar
14. Slack ، G. A. ، Schowalter ، L. J. ، Morelli ، D. & Freitas ، J. A. Jr برخی از اثرات ناخالصی های اکسیژن بر روی آلن و گان. J. Cryst. رشد 246 ، 287-298 (2002). Articleadsgoogle Scholar
15. Jeżowski ، A. et al. هدایت حرارتی کریستال های GAN در محدوده 4. 2-300 K. ارتباطات حالت جامد. 128 ، 69-73 (2003). Articleadsgoogle Scholar
16. Paskov ، P. P. ، Slomski ، M. ، Leach ، J. H. ، Muth ، J. F. & Paskova ، T. تأثیر دوپینگ Si بر هدایت حرارتی GAN فله در درجه حرارت بالا و تئوری. AIP Adv. 7 ، 095302 (2017). Articleadsgoogle Scholar
17. Slomski ، M. ، Paskov ، P. P. ، Leach ، J. H. ، Muth ، J. F. & Paskova ، T. هدایت حرارتی GAN فله رشد یافته توسط HVPE: اثر دوپینگ Si. فیزیکوضعیت Solidi B 254 ، 1600713 (2017). Articleadsgoogle Scholar
18. Jeżowski ، A. et al. هدایت حرارتی کریستال های فله ای که به شدت دوپ شده است GAN: O. شرکت حاملان رایگان. مادرresاکسپرس 2 ، 085902 (2015). Articleadsgoogle Scholar
19. Rounds ، R. هدایت حرارتی کریستال های تک GAN: تأثیر ناخالصی های موجود در فرآیندهای رشد مختلف. J. Appl. فیزیک124 ، 105106 (2018). Articleadsgoogle Scholar
20. Wu ، R. ، Hu ، R. & Luo ، X. شبیه سازی کامل مونت کارلو مبتنی بر اولین مبتنی بر مبنای حمل و نقل فون ناهمسانگرد در فیلم نازک Wurtzite Gan. J. Appl. فیزیک119 ، 145706 (2016). Articleadsgoogle Scholar
21. Yang ، X. ، Feng ، T. L. & Ruan ، X. نقش قوی تر پراکندگی چهار فنون نسبت به سه پراکندگی فونون در هدایت حرارتی نیمه هادی های III-V در دمای اتاق. فیزیکRev. B 100 ، 245203 (2019). Articleadsgoogle Scholar
22. Cardona ، M. Electron-Phonon در نیمه هادی های چهار ضلعی. ارتباطات حالت جامد. 133 ، 3-18 (2005). Articleadsgoogle Scholar_{او ، دبلیو و همکاران. عملکرد ترموالکتریک بالا در SN های کم هزینه}Se_{0. 91}0. 09
23. کریستال هاScience 365 ، 1418 1424 (2019). Articleadsgoogle Scholar
24. Luo ، Z. Z. et al. شکل بالایی از شایستگی در نانوساختار نانوساختار شده با گالیوم از نوع pbte x gete با حالت های میانی. مربا. شیمیاییSOC. 141 ، 16169 16177 (2019). Articlegoogle Scholar
25. یوان ، C. و همکاران. تعدیل هدایت حرارتی در نیترید بور شش ضلعی از طریق غلظت ایزوتوپ بور کنترل شده. ارتباطفیزیک2 ، 1-8 (2019). Articleadsgoogle Scholar
26. Simkin ، M. & Mahan ، G. حداقل هدایت حرارتی Superlattices. فیزیکروحانی لت. 84 ، 927 (2000). Articleadsgoogle Scholar
27. لی ، C. W. و همکاران. غول پیکر غول پیکر غول پیکر در Snse. نات. فیزیک11 ، 1063-1069 (2015). Articlegoogle Scholar₂ژو ، ی. و همکاران. بینش فیزیکی در مورد هدایت حرارتی شبکه کم Aginse
28. بشرمادرامروز فیزیک19 ، 100428 (2021). Articlegoogle Scholar
29. وی ، ب. ، خورشید ، س. ، لی ، C. و هنگ. J. Phonon Anharmonicity: یک بررسی مرتبط از پیشرفت و دیدگاه اخیر. علمیچین-فیزمکانیکاخترشناسیhttps://doi. org/10. 1007/s11433-021-1748-7 (2021).₃لی ، C. W. و همکاران. رابطه ساختاری بین انبساط حرارتی منفی و لقاح کوارتیک SCF مکعب
30. بشرفیزیکروحانی لت. 107 ، 195504 (2011). Articleadsgoogle Scholar
31. بودای ، J. D. و همکاران. فلز سازی دی اکسید وانادیوم رانده شده توسط آنتروپی بزرگ فونون. طبیعت 515 ، 535-539 (2014). Articleadsgoogle Scholar₄Sb₁₂لی ، C. H. و همکاران. حالت های فون نوری کم ارتفاع در CERU Skutterudite پر شده
32. بشرJ. Phys. SOC. JPN75 ، 123602 (2006). Articleadsgoogle Scholar₂وی ، ب. و همکاران. هدایت حرارتی درون هواپیما غول پیکر غول پیکر ناشی از واژگان غیر عادی در PDSE تقریباً تعادلی
33. بشرpreprint در arxiv https://arxiv. org/abs/2107. 07959 (2021).
34. لیو ، H. و همکاران. هدایت غیر عادی سرکوب حرارتی توسط اتصال الکترون-phonon در دی سولفید تانتالوم موج چگالی بار. مشاورعلمی7 ، 1902071 (2020). Articlegoogle Scholar
35. Hlinka ، J. و همکاران. منشأ اثر "آبشار" در پراکندگی فنون پروسکی های آرامش بخش. فیزیکروحانی لت. 91 ، 107602 (2003). Articleadsgoogle Scholar
36. لی ، C. W. و همکاران. خود انرژی فون و منشأ طیف پراکندگی نوترونی غیر عادی در ترموالکتریک SNTE و PBTE. فیزیکروحانی لت. 112 ، 175501 (2014). Articleadsgoogle Scholar
37. Mukopadhyay ، S. et al. مورد کنجکاو کلرید cuprous: مقاومت حرارتی غول پیکر و طیف های شبه ذرات آنهرمونیک که توسط لانه سازی پراکندگی هدایت می شوند. فیزیکRev. B 96 ، 100301 (R) (2017). Articleadsgoogle Scholar
38. وی ، ب. و همکاران. لنگرمونیک با دمای پایین و هدایت حرارتی یدید سزیم. فیزیکRev. B 99 ، 184301 (2019). Articleadsgoogle Scholar
39. Cowley ، R. A. Anharmonic. نماینده پروگ. فیزیک31 ، 123 (1968). Articleadsgoogle Scholar
40. Feng ، T. & Ruan ، X. پیش بینی میانگین مسیر فنون طیفی و هدایت حرارتی با برنامه های کاربردی به ترموالکتریک و مدیریت حرارتی: یک بررسی. J. Nanomater. 2014 ، 1 (2014). گوگل دانشکده
41. Balkanski ، M. ، Wallis ، R. & Haro ، E. Anharmonic در پراکندگی نور به دلیل واج های نوری در سیلیکون. فیزیکRev. B 28 ، 1928 (1983). Articleadsgoogle Scholar₂اسمیت ، H. L. و همکاران. وابستگی دما از آوون ها در FEGE
42. بشرفیزیکروحانی. 2 ، 103602 (2018). Articlegoogle Scholar
43. Brugger ، K. پارامترهای Grüneisen را در مدل Debye ناهمسانگرد تعمیم داد. فیزیکوحی 137 ، A1826 (1965). ArticleadsmathscinetMathgoogle Scholar
44. Toellner ، T. ، Alatas ، A. & گفت ، A. MEV-MONOCHROMATOR MEV برای تابش Synchrotron. J. Synchrotron Radiat. 18 ، 605-611 (2011).
45. سعید ، A. H. ، Si ، H. & Divan ، R. تحولات جدید در ساخت آنالایزر وضوح با انرژی بالا برای طیف سنجی اشعه ایکس غیردولیک. J. Synchrotron Radiat. 18 ، 492-496 (2011).
46. Abeathy ، D. L. et al. طراحی و بهره برداری از قوس های طیف سنجی هلی کوپتر با زاویه ای گسترده در منبع نوترون اسپالسیون. روحانی علمی. ساز83 ، 015114 (2012). Articleadsgoogle Scholar
47. آرنولد ، ا. و همکاران. تجزیه و تحلیل و تجسم Data Mantid - Data برای پراکندگی نوترون و آزمایشات μ SR. هستهسازمتA 764 ، 156-166 (2014). Articleadsgoogle Scholar
48. Squires ، G. L. معرفی تئوری پراکندگی نوترون حرارتی ، (انتشارات دانشگاه کمبریج ، 1978).
49. Fåk ، B. & Doer ، B. شکل خط Phonon و انرژی های تحریک. ماده متراکم Physica B 234 ، 1107 1108 (1997). Articleadsgoogle Scholar
50. Kresse ، G. & Furthmüller ، J. کارآیی محاسبات کل انرژی AB-initio برای فلزات و نیمه هادی ها با استفاده از یک مجموعه پایه موج هواپیما. رایانه. مادرعلمی6 ، 15-50 (1996). Articlegoogle Scholar
51. Togo ، A. ، Oba ، F. & Tanaka ، I. محاسبات اصول اول انتقال فرولاستیک بین نوع روتیل و نوع CACL2 SIO2 در فشارهای زیاد. فیزیکRev. B 78 ، 134106 (2008).
52. سیگل ، G. و همکاران. واج های منطقه مرز در GAN شش ضلعی و مکعب. فیزیکRev. B. 55 ، 7000-7004 (1997). Articleadsgoogle Scholar

پرلین ، P. و همکاران. پراکندگی رامان و طیف سنجی جذب اشعه ایکس در نیترید گالیم تحت فشار بالا. فیزیکRev. B. 45 ، 83-89 (1992). Articleadsgoogle Scholar

سپاسگزاریها

کار در انستیتوی فناوری پکن توسط بنیاد ملی علوم طبیعی چین با کمک هزینه شماره 11572040 و بنیاد علوم طبیعی پکن (کمک هزینه شماره Z190011) پشتیبانی می شود. این کار توسط دانشگاه کالیفرنیا ، ریورساید از طریق مکمل اولیه پشتیبانی می شود. محاسبات نظری با استفاده از منابع مرکز محاسبات با کارایی بالا در دانشگاه کالیفرنیا ، ریورساید انجام شد. B. W. با تشکر از برنامه مشترک دکتری موسسه فناوری پکن. اندازه گیری های INS از منابع در SNS ، اداره انرژی (DOE) دفتر کاربری علوم کاربری استفاده شده توسط آزمایشگاه ملی اوک ریج استفاده شده است. در این تحقیق از منابع APS ، یک دفتر کاربری علوم وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) استفاده شده است که توسط آزمایشگاه ملی آرگون تحت شماره قرارداد DE-AC02-06CH11357 برای دفتر علوم DOE اداره می شود.

1. اطلاعات نویسنده

این نویسندگان به طور مشترک نظارت بر این کار داشتند: جیاوانگ هنگ ، چن لی.

1. نویسندگان و وابستگی ها
2. آزمایشگاه کلیدی مواد در زمینه مهندسی زمین عمیق ، دانشکده علوم و مهندسی مواد ، دانشگاه پلی تکنیک ، جیاوزو ، چین
3. دانشکده مهندسی هوافضا ، موسسه فناوری پکن ، پکن ، چین Bin Wei & Jiawang Hong
4. گروه مهندسی مکانیک ، دانشگاه کالیفرنیا ، ریورساید ، کالیفرنیا ، ایالات متحده ، بن وی ، چینگان کای ، Qiyang Sun & Chen Li
5. علوم و مهندسی مواد ، دانشگاه کالیفرنیا ، ریورساید ، کالیفرنیا ، ایالات متحده Yaokun Su & Chen Li
6. منبع پیشرفته فوتون ، آزمایشگاه ملی آرگون ، لیمونت ، ایلین ، ایالات متحده آمریکا امان H.

1. بخش پراکندگی نوترون ، آزمایشگاه ملی اوک ریج ، اوک ریج ، TN ، ایالات متحده داگلاس L. Abeathy