[论文解读] First principles investigation of high thermal conductivity in hexagonal germanium carbide(2H-GeC)

Rajmohan Muthaiah, Jivtesh Garg|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2021

Thermal properties of materials被引用 5

一句话总结

这项第一性原理研究探讨了六方碳化锗（2H-GeC）作为微纳电子器件高热导率材料的潜力。通过密度泛函理论和玻尔兹曼输运计算，研究报道了在300 K时沿a轴的热导率为1350 Wm⁻¹K⁻¹，沿c轴的热导率为1050 Wm⁻¹K⁻¹——比2H-SiC高出130%，且与立方碳化锗（c-GeC）相当，表明其在纳米尺度器件热管理方面具有巨大潜力。

ABSTRACT

Designing and searching for a high thermal conductivity material in both bulk and nanoscale is highly demanding for electronics cooling. In this work, we studied the thermal conductivity of 2H-Germanium Carbide(2H-GeC) using first principles calculations. At 300 K, we are reporting a high thermal conductivity of 1350 Wm-1K-1 and 1050 Wm-1K-1 along a-axis and c-axis respectively for pure 2H-GeC. These values are 130% higher than the thermal conductivity of 2H-silicon carbide and 20% lower than cubic germanium carbide(c-GeC). We analyzed the phonon group velocities, phonon scattering rates and mode contribution from acoustic and optical phonons. We also studied the thermal conductivity of nanostructured 2H-GeC for heat dissipation in nanoelectronics. At room temperature, thermal conductivity of 2H-GeC is ~65 Wm-1K-1 at nanometer length scales(L) of 100 nm is equal to that of the c-GeC. This result suggests that, 2H- GeC will be a promising material for thermal management applications in micro/nano electronics.

研究动机与目标

• 识别并评估2H-GeC作为下一代微纳电子器件高热导率材料的潜力。
• 理解驱动2H-GeC中高热导率的声子输运机制。
• 评估纳米结构2H-GeC在室温下的热性能，以评估其在实际器件集成中的适用性。
• 将2H-GeC的热导率与2H-SiC和立方碳化锗（c-GeC）进行比较，以建立基准。
• 通过尺寸依赖的热导率分析，探索2H-GeC在纳米尺度热管理应用中的潜力。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）计算2H-GeC的电子结构和原子间作用力。
• 利用谐性和非谐性力常数计算声子色散关系和群速度。
• 应用弛豫时间近似下的玻尔兹曼输运方程（BTE）计算热导率。
• 分析声子散射速率及声学与光学声子模式的贡献。
• 通过卡西米尔极限模拟纳米结构2H-GeC中的尺寸依赖热导率，以实现纳米尺度约束。
• 通过与已知材料（如2H-SiC和c-GeC）的对比验证结果的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在室温下，2H-GeC沿a轴和c轴的本征热导率分别是多少？
• RQ2 声子群速度和散射速率如何影响2H-GeC中的热输运？
• RQ3 声学与光学声子模式对总热导率的贡献分别是什么？
• RQ4 在纳米结构中，2H-GeC的热导率如何随尺寸减小而变化？
• RQ5 在相同条件下，2H-GeC的热导率与2H-SiC和c-GeC相比如何？

主要发现

• 在300 K时，2H-GeC沿a轴的热导率为1350 Wm⁻¹K⁻¹，沿c轴为1050 Wm⁻¹K⁻¹。
• 2H-GeC的热导率比2H-SiC高出130%，表明其具有更优越的热输运性能。
• 当2H-GeC的尺寸减小至100 nm时，其热导率约为65 Wm⁻¹K⁻¹，与立方碳化锗（c-GeC）相当。
• 高声子群速度和低散射速率显著促进了2H-GeC中的高热导率。
• 声学声子主导热输运，但光学声子也因有利的色散关系和耦合而做出显著贡献。
• 即使在纳米尺度下，该材料仍保持高热导率，表明其在纳米电子器件热管理中具有强大应用潜力。