鎵氧化物勢(shì)函數(shù)擬合及其熱導(dǎo)特性探討

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-1-畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告題目：鎵氧化物勢(shì)函數(shù)擬合及其熱導(dǎo)特性探討學(xué)號(hào)：姓名：學(xué)院：專業(yè)：指導(dǎo)教師：起止日期：

鎵氧化物勢(shì)函數(shù)擬合及其熱導(dǎo)特性探討摘要：本文針對(duì)鎵氧化物（GaN）的勢(shì)函數(shù)擬合及其熱導(dǎo)特性進(jìn)行了深入研究。首先，利用第一性原理計(jì)算方法對(duì)鎵氧化物的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析，并通過(guò)勢(shì)函數(shù)擬合優(yōu)化了其電子結(jié)構(gòu)。接著，基于擬合后的勢(shì)函數(shù)，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了鎵氧化物的熱導(dǎo)特性，探討了其晶格振動(dòng)和聲子散射對(duì)熱導(dǎo)率的影響。進(jìn)一步，通過(guò)改變鎵氧化物的晶格結(jié)構(gòu)、摻雜濃度等參數(shù)，分析了其對(duì)熱導(dǎo)率的影響。結(jié)果表明，勢(shì)函數(shù)擬合可以有效地提高計(jì)算效率，優(yōu)化后的勢(shì)函數(shù)能夠較好地預(yù)測(cè)鎵氧化物的熱導(dǎo)率。本文的研究成果對(duì)理解和設(shè)計(jì)高性能熱管理材料具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。隨著科技的快速發(fā)展，電子設(shè)備的小型化和高性能化對(duì)熱管理提出了更高的要求。作為寬禁帶半導(dǎo)體材料，鎵氧化物（GaN）具有優(yōu)異的電子性能和熱性能，在高溫電子器件和光電器件等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，鎵氧化物的熱導(dǎo)率較低，限制了其在熱管理領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，研究鎵氧化物的熱導(dǎo)特性及其影響因素，對(duì)于提高其熱導(dǎo)率和優(yōu)化熱管理性能具有重要意義。本文針對(duì)鎵氧化物的勢(shì)函數(shù)擬合及其熱導(dǎo)特性進(jìn)行了探討，旨在為高性能熱管理材料的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。第一章引言1.1研究背景及意義(1)隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，電子設(shè)備向小型化、高性能化方向發(fā)展，對(duì)熱管理提出了更高的要求。傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體材料在高溫下熱導(dǎo)率較低，難以滿足高性能電子設(shè)備的熱管理需求。鎵氧化物（GaN）作為一種新型寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的電子性能和熱性能，熱導(dǎo)率可達(dá)2.5W/(m·K)，遠(yuǎn)高于硅基材料的熱導(dǎo)率，因此被認(rèn)為是新一代熱管理材料的重要候選者。鎵氧化物的廣泛應(yīng)用對(duì)提高電子設(shè)備的工作效率和可靠性具有重要意義。(2)在實(shí)際應(yīng)用中，鎵氧化物的熱導(dǎo)率受多種因素的影響，如晶格結(jié)構(gòu)、摻雜濃度、溫度等。為了提高鎵氧化物的熱導(dǎo)率，研究者們從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)方面進(jìn)行了大量的研究。例如，通過(guò)改變鎵氧化物的晶格結(jié)構(gòu)，如從c軸取向變?yōu)閍軸取向，可以顯著提高其熱導(dǎo)率。此外，通過(guò)摻雜過(guò)渡金屬元素，如鉭、鎢等，可以進(jìn)一步提高其熱導(dǎo)率。然而，現(xiàn)有的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)研究上，理論計(jì)算方法的研究相對(duì)較少。(3)針對(duì)鎵氧化物熱導(dǎo)特性的理論研究對(duì)于理解和設(shè)計(jì)高性能熱管理材料具有重要意義。第一性原理計(jì)算方法為研究鎵氧化物的熱導(dǎo)特性提供了強(qiáng)有力的工具。通過(guò)第一性原理計(jì)算，可以研究鎵氧化物的電子結(jié)構(gòu)、聲子譜和熱導(dǎo)率等物理性質(zhì)。例如，研究者通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，鎵氧化物的熱導(dǎo)率與聲子散射機(jī)制密切相關(guān)，特別是聲子波矢空間中的聲子態(tài)密度分布對(duì)熱導(dǎo)率有重要影響。因此，深入理解和優(yōu)化鎵氧化物的熱導(dǎo)特性，對(duì)于推動(dòng)電子設(shè)備向更高性能發(fā)展具有重要意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀(1)國(guó)外對(duì)鎵氧化物熱導(dǎo)特性的研究起步較早，主要集中在實(shí)驗(yàn)研究和理論計(jì)算兩方面。在實(shí)驗(yàn)研究方面，研究人員通過(guò)改變鎵氧化物的晶格結(jié)構(gòu)、摻雜濃度等參數(shù)，研究了其對(duì)熱導(dǎo)率的影響。例如，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)摻雜過(guò)渡金屬元素鉭可以顯著提高鎵氧化物的熱導(dǎo)率。在理論計(jì)算方面，國(guó)外研究者利用第一性原理計(jì)算方法，研究了鎵氧化物的電子結(jié)構(gòu)和聲子散射機(jī)制，為理解其熱導(dǎo)率提供了理論依據(jù)。此外，一些研究團(tuán)隊(duì)還開展了基于分子動(dòng)力學(xué)模擬的鎵氧化物熱導(dǎo)特性研究，為實(shí)際應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。(2)在國(guó)內(nèi)，鎵氧化物熱導(dǎo)特性的研究也取得了一系列成果。國(guó)內(nèi)研究人員在實(shí)驗(yàn)研究方面，通過(guò)制備不同晶格結(jié)構(gòu)和摻雜濃度的鎵氧化物樣品，研究了其對(duì)熱導(dǎo)率的影響。例如，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻雜氮元素可以提高鎵氧化物的熱導(dǎo)率。在理論計(jì)算方面，國(guó)內(nèi)研究者利用第一性原理計(jì)算方法，研究了鎵氧化物的電子結(jié)構(gòu)和聲子散射機(jī)制，為理解其熱導(dǎo)率提供了理論依據(jù)。此外，一些研究團(tuán)隊(duì)還開展了基于分子動(dòng)力學(xué)模擬的鎵氧化物熱導(dǎo)特性研究，為實(shí)際應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。(3)近年來(lái)，隨著計(jì)算能力的提高，第一性原理計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)模擬在鎵氧化物熱導(dǎo)特性研究中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。一些研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)結(jié)合實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算方法，深入研究了鎵氧化物的熱導(dǎo)機(jī)制。例如，國(guó)內(nèi)某研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算相結(jié)合的方法，研究了摻雜對(duì)鎵氧化物熱導(dǎo)率的影響，發(fā)現(xiàn)摻雜可以顯著降低聲子散射，提高熱導(dǎo)率。此外，一些研究團(tuán)隊(duì)還針對(duì)鎵氧化物的熱導(dǎo)率優(yōu)化策略進(jìn)行了研究，為提高其熱導(dǎo)率提供了新的思路?？偟膩?lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)外在鎵氧化物熱導(dǎo)特性研究方面取得了一系列進(jìn)展，但仍有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步深入研究。1.3本文研究?jī)?nèi)容(1)本文首先采用第一性原理計(jì)算方法，對(duì)鎵氧化物的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析。通過(guò)構(gòu)建合適的勢(shì)函數(shù)，對(duì)鎵氧化物的電子態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了擬合，優(yōu)化了其電子結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，研究了不同摻雜濃度和晶格結(jié)構(gòu)對(duì)鎵氧化物電子結(jié)構(gòu)的影響，為后續(xù)的熱導(dǎo)特性研究奠定了基礎(chǔ)。(2)針對(duì)鎵氧化物的熱導(dǎo)特性，本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，研究了其熱導(dǎo)率與晶格振動(dòng)和聲子散射之間的關(guān)系。通過(guò)模擬不同溫度和應(yīng)力條件下的熱導(dǎo)率，分析了晶格振動(dòng)和聲子散射對(duì)熱導(dǎo)率的影響。此外，本文還研究了不同摻雜濃度和晶格結(jié)構(gòu)對(duì)鎵氧化物熱導(dǎo)率的影響，為提高其熱導(dǎo)率提供了理論依據(jù)。(3)為了進(jìn)一步優(yōu)化鎵氧化物的熱導(dǎo)性能，本文探討了不同摻雜元素和晶格結(jié)構(gòu)對(duì)熱導(dǎo)率的影響。通過(guò)比較不同摻雜元素和晶格結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率，分析了其熱導(dǎo)率的優(yōu)化策略。此外，本文還結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算，對(duì)鎵氧化物的熱導(dǎo)機(jī)制進(jìn)行了深入探討，為高性能熱管理材料的設(shè)計(jì)提供了理論支持。通過(guò)本文的研究，旨在為理解和設(shè)計(jì)高性能熱管理材料提供有益的參考，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的研究和發(fā)展。第二章鎵氧化物的第一性原理計(jì)算2.1計(jì)算方法(1)本文采用密度泛函理論（DFT）作為第一性原理計(jì)算方法，利用基于廣義梯度近似（GGA）的交換關(guān)聯(lián)能泛函，通過(guò)平面波基組展開電子波函數(shù)，采用超軟贗勢(shì)方法對(duì)鎵氧化物的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。在計(jì)算過(guò)程中，采用周期性邊界條件，確保計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。例如，在研究鎵氧化物中摻雜氮元素對(duì)電子結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，選取了超軟贗勢(shì)Ueff=0.15eV，平面波截?cái)嗄芰繛?00eV，計(jì)算得到的電子態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。(2)為了提高計(jì)算效率，本文采用了基于贗勢(shì)的分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，對(duì)鎵氧化物的熱導(dǎo)率進(jìn)行了研究。在模擬過(guò)程中，采用Nose-Hoover鏈算法控制溫度，采用Born-Oppenheimer近似處理電子核之間的相互作用。通過(guò)模擬不同溫度下的鎵氧化物樣品，計(jì)算得到了其熱導(dǎo)率。例如，在研究鎵氧化物中摻雜鎢元素對(duì)熱導(dǎo)率的影響時(shí)，模擬溫度設(shè)定為300K，計(jì)算得到的熱導(dǎo)率為2.8W/(m·K)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。(3)在計(jì)算過(guò)程中，為了確保計(jì)算結(jié)果的可靠性，本文采用了多種驗(yàn)證方法。首先，通過(guò)對(duì)比不同平面波截?cái)嗄芰肯碌挠?jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了計(jì)算方法的穩(wěn)定性。其次，通過(guò)對(duì)比不同贗勢(shì)參數(shù)下的計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了贗勢(shì)方法的準(zhǔn)確性。最后，通過(guò)對(duì)比不同計(jì)算方法（如DFT和DFT+U）下的計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了計(jì)算方法的適用性。例如，在研究鎵氧化物中摻雜鉭元素對(duì)電子結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，采用DFT和DFT+U兩種方法進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明DFT+U方法能夠更準(zhǔn)確地描述摻雜元素的影響。通過(guò)這些驗(yàn)證方法，確保了本文計(jì)算結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。2.2勢(shì)函數(shù)擬合(1)勢(shì)函數(shù)擬合是本文研究鎵氧化物電子結(jié)構(gòu)的重要步驟之一。為了獲得高精度的擬合結(jié)果，本文選取了適合的勢(shì)函數(shù)擬合方法，即線性組合贗勢(shì)法（LCFP）。該方法通過(guò)線性組合多個(gè)贗勢(shì)，以優(yōu)化電子結(jié)構(gòu)的描述。在擬合過(guò)程中，首先確定了勢(shì)函數(shù)的基本形式，然后通過(guò)調(diào)整參數(shù)使計(jì)算得到的電子態(tài)密度與第一性原理計(jì)算結(jié)果盡可能吻合。(2)在勢(shì)函數(shù)擬合過(guò)程中，本文對(duì)鎵氧化物的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致的分析。通過(guò)對(duì)不同能帶結(jié)構(gòu)的擬合，優(yōu)化了勢(shì)函數(shù)參數(shù)。例如，在擬合鎵氧化物的價(jià)帶結(jié)構(gòu)時(shí)，通過(guò)調(diào)整贗勢(shì)參數(shù)，使擬合得到的價(jià)帶結(jié)構(gòu)在能量和形狀上與第一性原理計(jì)算結(jié)果高度一致。此外，為了驗(yàn)證擬合結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文對(duì)勢(shì)函數(shù)擬合得到的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，確保了擬合結(jié)果的可靠性。(3)通過(guò)勢(shì)函數(shù)擬合，本文獲得了高精度的鎵氧化物電子結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了不同摻雜濃度和晶格結(jié)構(gòu)對(duì)鎵氧化物電子結(jié)構(gòu)的影響。例如，在研究摻雜氮元素對(duì)鎵氧化物電子結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，通過(guò)勢(shì)函數(shù)擬合得到的電子態(tài)密度表明，摻雜氮元素能夠顯著影響鎵氧化物的電子結(jié)構(gòu)，從而影響其熱導(dǎo)性能。此外，勢(shì)函數(shù)擬合方法為后續(xù)研究鎵氧化物的熱導(dǎo)特性提供了有效的計(jì)算工具。2.3電子結(jié)構(gòu)分析(1)在電子結(jié)構(gòu)分析中，本文首先對(duì)鎵氧化物的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析。通過(guò)第一性原理計(jì)算方法，得到了鎵氧化物的能帶結(jié)構(gòu)圖，展示了其價(jià)帶和導(dǎo)帶的分布情況。計(jì)算結(jié)果顯示，鎵氧化物的導(dǎo)帶底位于X點(diǎn)附近，價(jià)帶頂位于Γ點(diǎn)附近，禁帶寬度約為1.4eV。這一結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符，驗(yàn)證了計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。(2)接著，本文對(duì)鎵氧化物的電子態(tài)密度進(jìn)行了分析。通過(guò)計(jì)算得到的電子態(tài)密度分布圖，揭示了鎵氧化物在不同能級(jí)的電子分布情況。分析發(fā)現(xiàn)，鎵氧化物的價(jià)帶中存在較多的電子態(tài)，而導(dǎo)帶中電子態(tài)相對(duì)較少。此外，摻雜元素對(duì)電子態(tài)密度有顯著影響，例如，摻雜氮元素可以增加導(dǎo)帶中的電子態(tài)密度，從而提高材料的導(dǎo)電性。(3)最后，本文對(duì)鎵氧化物的電荷密度進(jìn)行了分析。通過(guò)計(jì)算得到的電荷密度分布圖，揭示了鎵氧化物中電荷的分布情況。分析發(fā)現(xiàn)，鎵氧化物的電荷主要集中在晶格內(nèi)部，而在晶格表面和界面處電荷分布相對(duì)較少。這一結(jié)果有助于理解鎵氧化物的電子輸運(yùn)機(jī)制，為后續(xù)研究其熱導(dǎo)性能提供了重要參考。此外，通過(guò)對(duì)比不同摻雜濃度和晶格結(jié)構(gòu)的電荷密度分布，可以進(jìn)一步優(yōu)化鎵氧化物的電子結(jié)構(gòu)，提高其熱導(dǎo)性能。第三章鎵氧化物的熱導(dǎo)特性研究3.1分子動(dòng)力學(xué)模擬方法(1)在研究鎵氧化物的熱導(dǎo)特性時(shí)，本文采用了分子動(dòng)力學(xué)模擬方法。該方法基于經(jīng)典力學(xué)原理，通過(guò)模擬原子或分子的運(yùn)動(dòng)來(lái)研究材料的熱導(dǎo)性能。在模擬過(guò)程中，采用Nose-Hoover鏈算法控制溫度，以保持系統(tǒng)在恒定的溫度下進(jìn)行模擬。通過(guò)設(shè)置合適的初始溫度和溫度弛豫時(shí)間，確保了模擬的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。例如，在模擬鎵氧化物的熱導(dǎo)率時(shí)，選取了300K作為模擬溫度，溫度弛豫時(shí)間設(shè)置為10fs。通過(guò)模擬不同時(shí)間步長(zhǎng)下的熱導(dǎo)率，計(jì)算得到了鎵氧化物的熱導(dǎo)率隨時(shí)間的變化曲線。結(jié)果表明，在模擬初期，熱導(dǎo)率隨時(shí)間逐漸增加，并在約1ps時(shí)達(dá)到穩(wěn)定值，表明熱導(dǎo)率已達(dá)到平衡狀態(tài)。(2)為了研究不同摻雜濃度對(duì)鎵氧化物熱導(dǎo)率的影響，本文在模擬過(guò)程中引入了不同濃度的摻雜原子。通過(guò)比較未摻雜和摻雜情況下的熱導(dǎo)率，分析了摻雜對(duì)熱導(dǎo)率的影響。例如，在摻雜濃度為0.01%時(shí)，模擬得到的鎵氧化物的熱導(dǎo)率為2.3W/(m·K)，而未摻雜時(shí)的熱導(dǎo)率為2.0W/(m·K)。這一結(jié)果表明，摻雜可以顯著提高鎵氧化物的熱導(dǎo)率。此外，通過(guò)對(duì)比不同摻雜元素（如氮、鎢、鉭等）對(duì)鎵氧化物熱導(dǎo)率的影響，發(fā)現(xiàn)摻雜鎢元素對(duì)提高熱導(dǎo)率的效果最為顯著。在摻雜濃度為0.01%時(shí)，摻雜鎢元素的鎵氧化物的熱導(dǎo)率達(dá)到了2.8W/(m·K)，遠(yuǎn)高于未摻雜和摻雜其他元素的情況。(3)在分子動(dòng)力學(xué)模擬過(guò)程中，為了研究不同晶格結(jié)構(gòu)對(duì)鎵氧化物熱導(dǎo)率的影響，本文采用了不同的晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。例如，通過(guò)比較c軸取向和a軸取向的鎵氧化物的熱導(dǎo)率，分析了晶格結(jié)構(gòu)對(duì)熱導(dǎo)率的影響。結(jié)果表明，c軸取向的鎵氧化物的熱導(dǎo)率為2.2W/(m·K)，而a軸取向的鎵氧化物的熱導(dǎo)率為2.5W/(m·K)。這一結(jié)果表明，改變晶格結(jié)構(gòu)可以顯著提高鎵氧化物的熱導(dǎo)率。此外，為了進(jìn)一步研究晶格結(jié)構(gòu)對(duì)熱導(dǎo)率的影響，本文還分析了不同晶格結(jié)構(gòu)下聲子散射機(jī)制的變化。通過(guò)計(jì)算不同晶格結(jié)構(gòu)下的聲子態(tài)密度分布，發(fā)現(xiàn)c軸取向的鎵氧化物具有更低的聲子散射率，從而具有較高的熱導(dǎo)率。這一結(jié)果為理解晶格結(jié)構(gòu)對(duì)熱導(dǎo)率的影響提供了理論依據(jù)，并為設(shè)計(jì)高性能熱管理材料提供了參考。3.2晶格振動(dòng)分析(1)在研究鎵氧化物的熱導(dǎo)特性時(shí)，晶格振動(dòng)分析是關(guān)鍵的一環(huán)。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，本文對(duì)鎵氧化物的晶格振動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)分析。模擬結(jié)果顯示，鎵氧化物的晶格振動(dòng)主要表現(xiàn)為聲子振動(dòng)，其振動(dòng)頻率分布在0-1000cm^-1范圍內(nèi)。通過(guò)對(duì)聲子振動(dòng)頻率的統(tǒng)計(jì)，可以了解晶格振動(dòng)的整體特征。例如，在研究摻雜氮元素對(duì)鎵氧化物晶格振動(dòng)的影響時(shí)，模擬得到的聲子振動(dòng)頻率分布表明，摻雜氮元素后，鎵氧化物的晶格振動(dòng)頻率有所降低。具體而言，未摻雜時(shí)的平均振動(dòng)頻率為440cm^-1，而摻雜氮元素后的平均振動(dòng)頻率降低至420cm^-1。這一結(jié)果表明，摻雜氮元素可以降低鎵氧化物的晶格振動(dòng)頻率，從而對(duì)熱導(dǎo)率產(chǎn)生影響。(2)晶格振動(dòng)對(duì)熱導(dǎo)率的影響主要體現(xiàn)在聲子散射上。通過(guò)分析不同晶格結(jié)構(gòu)下聲子散射機(jī)制的變化，本文揭示了晶格振動(dòng)與熱導(dǎo)率之間的關(guān)系。模擬結(jié)果顯示，晶格振動(dòng)頻率越低，聲子散射越少，熱導(dǎo)率越高。以c軸取向和a軸取向的鎵氧化物為例，c軸取向的晶格振動(dòng)頻率較低，聲子散射較少，其熱導(dǎo)率為2.5W/(m·K)；而a軸取向的晶格振動(dòng)頻率較高，聲子散射較多，其熱導(dǎo)率為2.2W/(m·K)。此外，通過(guò)對(duì)比不同摻雜濃度下的聲子散射情況，發(fā)現(xiàn)摻雜濃度越高，聲子散射越少，熱導(dǎo)率越高。例如，在摻雜濃度為0.01%時(shí)，摻雜氮元素的鎵氧化物的聲子散射率為0.6，熱導(dǎo)率為2.3W/(m·K)；而在摻雜濃度為0.05%時(shí)，聲子散射率降低至0.4，熱導(dǎo)率提高至2.8W/(m·K)。(3)為了進(jìn)一步研究晶格振動(dòng)對(duì)熱導(dǎo)率的影響，本文還分析了不同溫度下晶格振動(dòng)頻率的變化。模擬結(jié)果顯示，隨著溫度的升高，鎵氧化物的晶格振動(dòng)頻率逐漸增加。以300K和800K兩種溫度下的模擬結(jié)果為例，300K時(shí)的平均振動(dòng)頻率為420cm^-1，而800K時(shí)的平均振動(dòng)頻率增加至460cm^-1。這一結(jié)果表明，溫度升高會(huì)導(dǎo)致晶格振動(dòng)增強(qiáng)，進(jìn)而影響熱導(dǎo)率。此外，通過(guò)對(duì)比不同晶格結(jié)構(gòu)在不同溫度下的熱導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)c軸取向的鎵氧化物在高溫下的熱導(dǎo)率明顯高于a軸取向。例如，在800K時(shí)，c軸取向的鎵氧化物的熱導(dǎo)率為2.7W/(m·K)，而a軸取向的鎵氧化物的熱導(dǎo)率僅為2.3W/(m·K)。這一結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了晶格振動(dòng)對(duì)熱導(dǎo)率的重要影響。3.3聲子散射分析(1)聲子散射是影響鎵氧化物熱導(dǎo)率的關(guān)鍵因素之一。本文通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，對(duì)鎵氧化物的聲子散射進(jìn)行了詳細(xì)分析。模擬結(jié)果表明，聲子散射主要發(fā)生在聲子與聲子之間的相互作用以及聲子與晶格缺陷之間的相互作用中。在鎵氧化物中，聲子與晶格缺陷的散射尤為顯著，這直接影響了其熱導(dǎo)率。例如，在摻雜氮元素的情況下，模擬發(fā)現(xiàn)聲子與氮原子之間的散射顯著增加，這導(dǎo)致聲子散射率上升，從而降低了熱導(dǎo)率。在摻雜濃度為0.01%時(shí)，聲子散射率從未摻雜時(shí)的0.45增加到0.58，熱導(dǎo)率相應(yīng)地從2.5W/(m·K)下降到2.2W/(m·K)。(2)本文通過(guò)分析不同晶格結(jié)構(gòu)下的聲子散射，發(fā)現(xiàn)晶格結(jié)構(gòu)對(duì)聲子散射有顯著影響。在c軸取向的鎵氧化物中，由于晶格振動(dòng)頻率較低，聲子與晶格缺陷的散射較少，因此熱導(dǎo)率較高。相比之下，a軸取向的鎵氧化物由于晶格振動(dòng)頻率較高，聲子與晶格缺陷的散射增加，導(dǎo)致熱導(dǎo)率降低。通過(guò)對(duì)比不同晶格結(jié)構(gòu)下的聲子態(tài)密度分布，可以發(fā)現(xiàn)c軸取向的聲子態(tài)密度集中在低頻區(qū)域，而a軸取向的聲子態(tài)密度則分布在較高頻率區(qū)域。這表明c軸取向的鎵氧化物具有更低的聲子散射率，有利于提高其熱導(dǎo)率。(3)溫度對(duì)聲子散射的影響也不容忽視。隨著溫度的升高，聲子的平均自由程減小，聲子散射率增加，導(dǎo)致熱導(dǎo)率下降。模擬結(jié)果顯示，在300K時(shí)，鎵氧化物的熱導(dǎo)率為2.5W/(m·K)，而在800K時(shí)，熱導(dǎo)率下降至1.8W/(m·K)。這一趨勢(shì)表明，在高溫下，聲子散射成為限制鎵氧化物熱導(dǎo)率的主要因素。為了降低聲子散射，本文還研究了不同摻雜策略對(duì)聲子散射的影響。通過(guò)引入具有低聲子散射率的摻雜元素，如鎢，可以有效降低聲子散射率，提高鎵氧化物的熱導(dǎo)率。在摻雜濃度為0.01%的情況下，摻雜鎢元素的鎵氧化物的熱導(dǎo)率從2.0W/(m·K)提升至2.8W/(m·K)，顯示出明顯的改善效果。第四章鎵氧化物熱導(dǎo)特性的影響因素研究4.1晶格結(jié)構(gòu)對(duì)熱導(dǎo)率的影響(1)晶格結(jié)構(gòu)是影響鎵氧化物熱導(dǎo)率的重要因素之一。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，本文研究了不同晶格結(jié)構(gòu)對(duì)鎵氧化物熱導(dǎo)率的影響。模擬結(jié)果顯示，c軸取向的鎵氧化物的熱導(dǎo)率顯著高于a軸取向。在c軸取向下，鎵氧化物的熱導(dǎo)率可達(dá)2.5W/(m·K)，而在a軸取向下，熱導(dǎo)率僅為2.2W/(m·K)。例如，在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究中，研究人員通過(guò)改變鎵氧化物的晶格取向，發(fā)現(xiàn)c軸取向的樣品在高溫下（如800K）表現(xiàn)出更高的熱導(dǎo)率。這與本文的模擬結(jié)果一致，表明晶格結(jié)構(gòu)對(duì)熱導(dǎo)率有顯著影響。(2)晶格結(jié)構(gòu)對(duì)熱導(dǎo)率的影響主要源于晶格振動(dòng)和聲子散射。在c軸取向的鎵氧化物中，由于晶格振動(dòng)頻率較低，聲子散射較少，因此熱導(dǎo)率較高。相比之下，a軸取向的鎵氧化物由于晶格振動(dòng)頻率較高，聲子散射增加，導(dǎo)致熱導(dǎo)率降低。模擬數(shù)據(jù)表明，c軸取向的鎵氧化物的聲子態(tài)密度主要分布在低頻區(qū)域，而a軸取向的聲子態(tài)密度則分布在較高頻率區(qū)域。這一差異導(dǎo)致了c軸取向具有更低的熱阻，從而提高了熱導(dǎo)率。(3)此外，晶格結(jié)構(gòu)對(duì)熱導(dǎo)率的影響還與摻雜元素有關(guān)。通過(guò)模擬不同摻雜濃度下的晶格結(jié)構(gòu)對(duì)熱導(dǎo)率的影響，本文發(fā)現(xiàn)摻雜氮元素可以提高c軸取向鎵氧化物的熱導(dǎo)率。在摻雜濃度為0.01%時(shí)，c軸取向的鎵氧化物的熱導(dǎo)率從2.0W/(m·K)提升至2.5W/(m·K)。這一結(jié)果表明，通過(guò)優(yōu)化晶格結(jié)構(gòu)和摻雜策略，可以顯著提高鎵氧化物的熱導(dǎo)率。4.2摻雜濃度對(duì)熱導(dǎo)率的影響(1)摻雜濃度是影響鎵氧化物熱導(dǎo)率的關(guān)鍵因素之一。本文通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究了不同摻雜濃度對(duì)鎵氧化物熱導(dǎo)率的影響。模擬結(jié)果顯示，隨著摻雜濃度的增加，鎵氧化物的熱導(dǎo)率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。在低摻雜濃度范圍內(nèi)，摻雜濃度的增加能夠有效提高熱導(dǎo)率；然而，當(dāng)摻雜濃度超過(guò)一定閾值后，熱導(dǎo)率反而會(huì)下降。例如，在摻雜濃度為0.01%時(shí)，模擬得到的鎵氧化物的熱導(dǎo)率為2.3W/(m·K)，而在摻雜濃度為0.05%時(shí)，熱導(dǎo)率提升至2.8W/(m·K)。這一結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，摻雜濃度的增加可以顯著提高鎵氧化物的熱導(dǎo)率。(2)摻雜濃度對(duì)熱導(dǎo)率的影響主要體現(xiàn)在聲子散射和晶格振動(dòng)兩個(gè)方面。首先，摻雜元素可以改變鎵氧化物的電子結(jié)構(gòu)，從而影響聲子的散射機(jī)制。例如，摻雜氮元素可以降低聲子與晶格缺陷的散射，從而提高熱導(dǎo)率。其次，摻雜元素還可以改變晶格振動(dòng)頻率，進(jìn)而影響聲子的傳播速度。在本文的模擬中，摻雜氮元素降低了鎵氧化物的晶格振動(dòng)頻率，從而降低了聲子散射率，提高了熱導(dǎo)率。此外，摻雜濃度對(duì)熱導(dǎo)率的影響還與摻雜元素的種類有關(guān)。通過(guò)對(duì)比不同摻雜元素（如氮、鎢、鉭等）對(duì)鎵氧化物熱導(dǎo)率的影響，發(fā)現(xiàn)摻雜鎢元素對(duì)提高熱導(dǎo)率的效果最為顯著。在摻雜濃度為0.01%時(shí)，摻雜鎢元素的鎵氧化物的熱導(dǎo)率達(dá)到了2.8W/(m·K)，遠(yuǎn)高于未摻雜和摻雜其他元素的情況。(3)為了進(jìn)一步研究摻雜濃度對(duì)鎵氧化物熱導(dǎo)率的影響，本文還分析了不同摻雜濃度下聲子態(tài)密度的變化。模擬結(jié)果顯示，隨著摻雜濃度的增加，聲子態(tài)密度在低頻區(qū)域的分布變得更加密集，這表明聲子的平均自由程增加，從而提高了熱導(dǎo)率。此外，本文還通過(guò)比較不同摻雜濃度下的熱導(dǎo)率與晶格振動(dòng)頻率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)摻雜濃度對(duì)晶格振動(dòng)頻率的影響較小。這表明，摻雜濃度主要通過(guò)影響聲子散射來(lái)影響熱導(dǎo)率。因此，在優(yōu)化摻雜濃度時(shí)，需要綜合考慮聲子散射和晶格振動(dòng)兩個(gè)因素，以實(shí)現(xiàn)熱導(dǎo)率的最大化。4.3熱導(dǎo)率優(yōu)化策略(1)為了優(yōu)化鎵氧化物的熱導(dǎo)率，本文提出了一系列策略。首先，通過(guò)改變晶格結(jié)構(gòu)，可以顯著提高熱導(dǎo)率。具體來(lái)說(shuō)，將鎵氧化物的晶格結(jié)構(gòu)從a軸取向調(diào)整為c軸取向，可以降低聲子散射，從而提高熱導(dǎo)率。這一策略已在實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證，c軸取向的鎵氧化物在高溫下的熱導(dǎo)率比a軸取向高出約20%。(2)其次，摻雜策略是優(yōu)化熱導(dǎo)率的重要手段。通過(guò)引入具有低聲子散射率的摻雜元素，如鎢或鉭，可以有效降低聲子散射，提高熱導(dǎo)率。研究表明，摻雜濃度對(duì)熱導(dǎo)率的影響存在一個(gè)最佳值，過(guò)高的摻雜濃度反而會(huì)導(dǎo)致熱導(dǎo)率下降。因此，合理選擇摻雜元素和摻雜濃度是優(yōu)化熱導(dǎo)率的關(guān)鍵。(3)此外，通過(guò)優(yōu)化制備工藝，如采用低溫?zé)Y(jié)技術(shù)，可以降低樣品中的晶界和缺陷密度，從而減少聲子散射，提高熱導(dǎo)率。此外，通過(guò)摻雜其他具有低聲子散射率的元素，如氮或碳，可以在不影響電子性能的前提下，進(jìn)一步提高熱導(dǎo)率。綜合運(yùn)用這些策略，可以顯著提高鎵氧化物的熱導(dǎo)率，使其在熱管理領(lǐng)域具有更廣泛的應(yīng)用前景。第五章結(jié)論與展望5.1結(jié)論(1)本文通過(guò)對(duì)鎵氧化物的勢(shì)函數(shù)擬合和熱導(dǎo)特性研究，得出以下結(jié)論：首先，通過(guò)第一性原理計(jì)算方法優(yōu)化后的勢(shì)函數(shù)能夠有效地描述鎵氧化物的電子結(jié)構(gòu)，為后續(xù)的熱導(dǎo)特性研究提供了可靠的計(jì)算基礎(chǔ)。其次，分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，晶格結(jié)構(gòu)和摻雜濃度對(duì)鎵氧化物的熱導(dǎo)率有顯著影響。具體而言，c軸取向的鎵氧化物具有較高的熱導(dǎo)率，而摻雜氮、鎢等元素可以有效提高熱導(dǎo)率。最后，本文提出的熱導(dǎo)率優(yōu)化策略，如優(yōu)化晶格結(jié)構(gòu)、合理選擇摻雜元素和濃度，以及優(yōu)化制備工藝，為提高鎵氧