尖晶石结构LiGa5O8晶格热导率的第一性原理研究及其在热管理中的应用

为解决超宽禁带半导体材料热管理难题，研究人员通过第一性原理计算结合玻尔兹曼输运方程，首次揭示了尖晶石结构LiGa5O8的晶格热导率各向同性特性（室温下为4.41 Wm?1K?1），发现晶格刚性软化与缺陷工程对调控热导率的关键作用，为功率电子器件热管理优化提供理论依据。

　　

在功率电子器件飞速发展的今天，热管理已成为制约器件性能与可靠性的"阿喀琉斯之踵"。超宽禁带半导体材料如β-Ga₂O₃虽具有优异的电学性能，却因难以实现P型掺杂而应用受限。这时，另一种带隙超过5.3 eV的尖晶石结构材料LiGa₅O₈崭露头角，它不仅展现出P型导电特性，还在光学存储、生物成像等领域显示出巨大潜力。然而，关于这种材料热传输特性的研究却几乎空白，而这对评估器件可靠性至关重要。

为此，国内国家超算济南中心的研究团队在《Materials Science in Semiconductor Processing》发表研究，首次系统揭示了LiGa₅O₈的晶格热导率特性。研究人员采用密度泛函理论（DFT）结合玻尔兹曼输运方程（BTE）的方法，通过Quantum ESPRESSO软件包进行第一性原理计算，重点分析了声子色散、群速度、散射机制等热传输特性，并与缺陷尖晶石结构γ-Ga₂O₃进行对比研究。

在"Phonon dispersion"部分，研究显示LiGa₅O₈的声子谱存在显著声学-光学支重叠，这种独特的模式耦合特性导致更强的声子散射。通过第一布里渊区高对称路径计算发现，其最高声子频率达25 THz，明显高于γ-Ga₂O₃的18 THz，表明更强的原子键合作用。

"Conclusions"部分指出，LiGa₅O₈展现出各向同性的热导率特性，室温下沿[100]、[010]和[001]晶向的热导率均为4.41 Wm^?1K^?1。与γ-Ga₂O₃的对比揭示：晶格刚性增强会提高热导率，而阳离子空位缺陷则通过增强声子-缺陷散射显著降低热导率。研究还发现，声学支声子对热导率的贡献超过70%，其平均自由程主要集中在10-100 nm范围。

这项研究由Haoran Sun和Gang Yang等学者完成，不仅填补了LiGa₅O₈热物性研究的空白，更通过微观尺度机理分析证明：通过调控阳离子空位浓度等缺陷工程手段，可以实现对材料热导率的精确调控。这为设计下一代功率电子器件的热管理解决方案提供了重要理论指导，特别是在需要平衡电学性能与散热需求的场合。研究获得天池创新领军人才项目资助，相关计算工作在国家超算济南中心完成。