【国内论文】新疆大学——多态性对 Ga₂O₃ 晶格热导率的影响

摘要

        本文基于第一性原理计算和迭代求解声子玻尔兹曼方程的方法，系统地研究了 Ga₂O₃ 的 β、α、ε(κ) 和 γ 相的晶格热导率。结果表明，Ga₂O₃ 的晶体微观结构对其晶格热导率有显著影响。此外，结果还发现 γ-Ga₂O₃ 在 50 至 700 K 的温度范围内具有超低的晶格热导率。对于 γ-Ga₂O₃，在室温（300 K）下获得的晶格热导率沿 [100] 和 [010] 方向为 0.1189 W/(m·K)，沿 [001] 方向为 0.1159 W/(m·K)。晶格热导率表现出以下顺序：γ-Ga₂O₃≪ɛ(κ)-Ga₂O₃<α-Ga₂O₃<β-Ga₂O₃。Ga³⁺ 阳离子空位对尖晶石结构的对称性的破坏作用是 γ-Ga₂O₃ 中观察到的超低晶格热导率的原因。这种破坏增加了晶格的复杂性，阻碍了声子的传播和散射。另一个影响因素是弱化学键的存在，这加剧了 Ga 原子的振动。这项研究的结果对于进一步研究影响 Ga₂O₃ 热导率的因素和开发热电材料具有重要意义。

图 1. 各种相的氧化镓结构，(a) α-刚玉结构，(b) β-单斜结构，(c) κ-正方体结构 (Pna2₁)，(d) γ-尖晶石结构。

图 2. Ga₂O₃ 不同晶相（a）α-Ga₂O₃、（b）β-Ga₂O₃、（c）κ-Ga₂O₃、（d）γ-Ga₂O₃ 的声子频散曲线和投影态密度分布。