铁电相二氧化铪(HfO2)导热性质及其调控机制的第一性原理研究

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铁电相二氧化铪(HfO2)作为一种重要的宽带隙、高介电常数的新兴铁电材料,具有稳定的、可以被外加电场逆转的自发极化,被广泛应用于数据存储、光电子器件、太阳能电池、传感器等半导体领域。HfO2导热系数决定其导热能力,对于铁电器件的可靠性和热管理十分重要。半导体材料中热流主要通过声子的扩散运动传递,即晶格热传导。声子扩散时会发生碰撞即声子散射,而声子散射受材料质量、体积、晶格非谐性等结构性质影响。通过掺杂(合金)、施加应力等声子工程可以调节声子散射,从而有效调控晶格热导率。第一性原理方法可以直接从量子力学基本方程出发,被普遍用于预测材料的导热系数。目前,HfO2中的热传输机制尚不清楚,实验测量导热系数并实现精准热调控十分困难,缺少相关的理论计算研究。本文通过基于密度泛函理论的第一性原理计算方法首次得到了 HfO2及其合金的导热系数,理论分析了外加电场,压力、应变等因素对导热系数的调控机制,并探讨了与铁电相HfO2同结构的IVB-VIA族过渡金属二卤化物的导热性质,本文研究内容对指导铁电材料热设计和实际应用具有重要意义。本文发现,HfO2中的声子散射过程与散射相空间以及晶格非谐性密切相关,在热传输过程中起到重要作用。由于较低的散射相空间与较弱的非谐性,HfO2导热系数(室温下为12.6 W m-1 K-1)约为传统铁电材料钛酸铅(PbTiO3)导热系数的三倍。本文研究了其合金材料HfxZr1-xO2中的热输运过程,发现受质量无序性影响,声子散射随合金组分浓度的增大而增强,Hf0.5Zr0.502体材料的室温导热系数降低为3.9 W m-1 K-1。而由于尺寸效应增强了边界散射,其薄膜材料的导热系数会进一步降低。为提高导热系数,其调控策略十分重要。本文发现,施加与自发极化方向相同的电场,或静水压力均可以通过抑制HfO2的晶格非谐性来增强其导热性能。同PbTiO3的对比研究表明,HfO2和PbTiO3在+4 MV cm-1的外加电场下,热导率分别提高8%和30%。而由于二者晶格非谐性对压力的响应不同,HfO2和PbTiO3的导热系数分别表现出正压力依赖性和负压力依赖性。最后,本文研究了与铁电相HfO2同空间群IVB-VIA族过渡金属二卤化物MX2(M=Hf,Zr,Ti;X=O,S,Se)的热导率。本文发现,HfO2金属元素与非金属元素种类的变化,均会导致其导热系数下降。质量增大和化学键强度减弱会降低晶格热容与声子群速度,导致HfX2(O,S,Se)的导热系数沿着VIA族元素(O,S,Se)降低。质量降低和化学键强度减弱会增大散射相空间并增强晶格非谐性,使得MO2(Hf,Zr,Ti)的导热系数沿着IVB族元素(Hf.Zr.Ti)降低。
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