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超高压力条件热输运机理的理论研究进展-1
国家自然基金重点国际合作项目“超高压力条件热输运机理研究”(51720105007)进展报告之一
点击数: 次 发布时间:2019-07-19 作者:唐大伟 来源:

超高压力条件下物质的导热机理及其导热性能的压力依存性对地球温度场的热演化、磁场的形成,高性能半导体功能材料的合成及高温超导机理的揭示等具有重要的意义。近期,金沙平台娱樂城唐大伟教授课题组采用第一性原理结合声子玻尔兹曼输运方程的方法系统研究了超高压力条件下宽带隙半导体材料、热电功能材料的高压热输运特性,取得了一系列研究成果。

在超高压力条件下宽带隙半导体材料热输运机理研究方面:(1)研究发现,氧化锌、氮化镓和氮化铝在高压下由纤锌矿结构相变为岩盐矿结构,晶格非简谐振动增强使其高压相晶格热导率较常压相分别降低了73%、91%和66%。计算还发现三种材料在结构相变前的热导率具有反常的压力依存性:氧化锌和氮化镓的热导率随压力升高而先增加后减小,呈现非单调关系;氮化铝的热导率则随压力升高而单调增加。声子模式分析揭示了增大的群速度和降低的声子驰豫时间之间的竞争机制是导致热导率呈现反常压力依存性的原因。(2)半导体砷化镓在高压下发生金属化相变,相变后晶格热导率显著下降,电子热导率在总热导率中占主导地位,金属相砷化镓的声子平均自由程低于半导体相砷化镓的声子平均自由程,半导体相和金属相砷化镓晶格热导率都随压力的升高而增大。

图1典型宽带隙半导体材料晶格热导率的压力依存性:(a) ZnO,(b) GaN,(c) AlN和(d) GaAs

在超高压力条件下硒化锗热电性能调控方面:研究发现,硒化锗晶格热导率的压力依存性具有显著的各向异性,层间方向和层内armchair方向的晶格热导率随压力升高而增大,而层内zigzag方向晶格热导率则随压力升高而减小。高压下,硒化锗晶体的电子带隙和能带有效质量减小,电导率大幅提升。在8 GPa和700 K的条件下,层间方向、层内armchair以及zigzag方向的热电优值达到1.54、1.09和1.01,分别比常压热电优值提高了14、7.3和1.9倍。

图2硒化锗声子输运性质及热电优值:(a)晶格热导率,(b)声子驰豫时间,(c)电子密度扰动,(d )热电优值。

相关研究成果发表在Physical Review B [98(14): 144303, 2018]、Physical Chemistry Chemical Physics [20(48): 30331-30339, 2018]和Scientific Reports[9:9490, 2019]。

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