深圳京鲁计算科学应用研究院童贞博士/不莱梅大学Thomas教授 AFM：掺杂调控二维狄拉克材料电子热导率

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近年来，随着微电子产业、新材料、半导体等高新技术产业的快速发展，散热逐渐成为了微电子芯片封装工艺中的瓶颈问题。寻找、挖掘以及设计高热导率纳米材料成为了工程热物理领域重点关注的研究方向之一 。近几年发现了很多新型低维材料，例如以碳纳米线、碳纳米管等为代表的一维材料以及石墨烯、MoS₂、单层BN等为代表的二维材料，这些材料在天然纯净的晶体结构状态下，都表现出高热导率特性；当然，也有类似低热导率的低维材料被发现并且被研究用于热电技术中将废热转换为电能进行回收利用。除此之外，这些低维材料也表现出优异的磁、电、光学等特性，目前诸多研究在寻求低成本、大规模生产工艺来制造这些材料以望取代硅作为下一代半导体材料。

特别地，二维狄拉克材料中观察到的量子自旋霍尔效应、拓扑绝缘、超导、高迁移率等使其电子态在量子计算等应用中得到了广泛的关注和深入研究，但对其电子热导率知之甚少。近日，深圳京鲁计算科学应用研究院童贞博士/不莱梅大学Thomas Frauenheim教授研究团队对最近通过高压技术合成的一种新型二维狄拉克材料-二维氮化铍(2D-BeN₄)的电子导热进行了深入的第一原理计算研究，同时提出了通过电子掺杂来调控二维狄拉克材料电子和声子热导率的新机制。

二维氮化铍是一种新合成的层状材料，具有各向异性的狄拉克锥和位于仅高于费米能级约0.5eV处的范霍夫奇点 (VHS)。在这项工作中，该研究团队结合第一原理计算和波尔兹曼输运方程理论框架确定了2D-BeN₄的电子热导(κ_e)，声子热导(κ_ph)及总导热系数；同时通过电子掺杂，研究了狄拉克态对热输运性质的影响，揭示了电子-声子耦合和电子态密度对κ_ph和κ_e的不同作用，以及狄拉克费米子调节其面内传热的能力。该研究发现，在室温下，本征2D-BeN₄的热传输由κ_ph通过平面外声子震动模式控制，该模式易受三声子和四声子散射的影响，但不容易受电子散射的影响。当狄拉克锥填充到VHS及以上时，声子-电子耦合逐渐增强，对κ_ph和κ_e产生了不同的影响：κ_ph只有在VHS以上掺杂时才会出现显著的单调下降；在电子-声子耦合仍然很弱的情况下，κ_e在VHS附近升高约60%  (掺杂浓度n≈16×10¹³cm⁻²)，随后，在VHS以上 (n≈ 55×10¹³cm ⁻²) 出现了高达70%的下降。这些非单调变化遵循费米能级附近电子态密度的变化形状。该工作有助于理解本征和掺杂2D-BeN₄的热导率，并提供了一种操纵VHS位于费米能级附近的二维半金属电子热输运性能的机制。

该研究提出的电子掺杂调控二维狄拉克材料电子和声子热导率的新型物理机制为实现精准调控微纳米电子器件中的热传导提供了可能性，这对二维狄拉克材料热输运性质的应用具有重要的指导意义，为基于二维狄拉克材料的器件热设计与开发提供了新范式。相关成果以“Significant Increase of Electron Thermal Conductivity in Dirac Semimetal Beryllonitrene by Doping Beyond Van Hove Singularity”为题，于2022年1月12日在《Advanced Functional Materials》期刊上发表。

研究亮点：

1. 研究使用的理论模型包括一系列多体相互作用，例如四声子散射（通常在文献中省略）和电子-声子耦合，并考虑了本征和电子掺杂对二维狄拉克材料热导率的调控。

2. 首次从理论上展示了新型二维狄拉克材料(本征2D-BeN₄)具有出色的导热性，类似于其他广泛研究的二维材料（如MoS₂）。该工作使得2D-BeN₄成为重要的竞争者，并且可能激发其热导率的实验测量以及科学和工程界对该新型二维狄拉克材料的深入探索。

3. 研究表明用电子填充狄拉克锥会导致电子热导率出现异常的非单调变化并且遵循相应费米能级的电子态密度。据研究，这种现象以前没有在二维狄拉克材料中报道过。这一重要发现揭示了一种调节二维材料热导率的新机制，对新型二维材料的应用具有重要的理论指导意义。

图1  (a) 2D-BeN₄的晶体结构，原胞中包含1个Be原子和4个N原子；(b) 2D-BeN₄的能带结构、态密度与投影态密度；(c) 2D-BeN₄在布里渊区的电子能量分布图，其中Σ为狄拉克点；(d) 声子色散以及相应的声子态密度与投影声子态密度；(e) Γ点附近 TA、LA、ZA 声子模的振动模式。

图2  (a) 本征2D-BeN₄的κ_ph、κ_e及κ_total 随温度的变化，左侧内插图为不同散射情况下κ_ph随温度的变化，右侧内插图总结了300 K时其他二维材料热导率的文献数据（理论）； (b) ZA、TA、LA 和 TO 声子模式的群速度，内插图为300 K时相应的体积热容；(c) ZA、TA、LA 和 TO 声子模式在300 K时的声子弛豫时间，内插图为该四支声子模对κ_ph的贡献（已归一化）；(d) 在 300 K时的 3ph、4ph及ph-el散射率；(e) 在300 K时ZA模的3ph、4ph和ph-el散射率的等值线图；(f) Grüneisen参数，内插图为300 K时3ph及4ph散射过程的声子散射相空间。

图3 (a) 室温下电子掺杂2D-BeN₄的κ_ph、κ_e及κ_total 随载流子浓度的变化，内插图为载流子浓度随费米能级偏移 (E_f-E_f0) 的变化及电子掺杂2D-BeN₄的狄拉克锥；(b) 在300 K时本征2D-BeN₄中的ph-ph散射率 (3ph + 4ph) 以及本征、不同掺杂浓度下2D-BeN₄的ph-el散射； (c)电子掺杂2D-BeN₄的电子散射率和群速度。

图4  (a) 电子掺杂2D-BeN₄的电阻率随温度的变化，其与Allen模型计算的数据比较。内插图为硅（体相）和部分典型的单层二维材料在300 K时的电子迁移率；(b) 在300 K时，本征2D-BeN₄中声子热导 (κ_ph) 和电子热导 (κ_e) 的累积随平均自由程Λ的变化。

作者简介

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论文第一作者(兼第一通讯作者)为深圳京鲁计算科学应用研究院童贞博士。美国明尼苏达大学Traian Dumitrică、德国不来梅大学Thomas Frauenheim为该文章的共同通讯作者。该研究成果得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、以及深圳市优秀科技创新人才培养项目的资助。理论模拟计算在北京计算科学研究中心Tianhe2-JK完成。

研究团队网站：https://www.bccms.uni-bremen.de/cms/people-shenzhen/z-tong 

原文链接

https://doi.org/10.1002/adfm.202111556

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