【国内论文】新疆大学---基于第一性原理的尖晶石结构LiGa₅O₈晶格热导率研究

        研究团队衷心感谢国家超级计算济南中心提供的高性能计算服务。感谢天池英才创新领军人才计划项目（No.51052401405）的资金支持。

        超宽禁带半导体材料氧化镓因其 4.9 eV 的禁带宽度、8 MV/cm 的理论击穿场强、2 × 10⁷ cm/s 的电子饱和速度以及异常高的巴里加优值（BFOM）在高功率电子领域备受关注。然而，其广泛应用的一个关键限制是无法实现可靠的 P 型掺杂。这对于形成 P-N 结和其他先进半导体组件至关重要。LiGa₅O₈ 是目前最具潜力的P 型宽禁带半导体材料，其晶体结构为尖晶石结构，这一晶体结构与缺陷尖晶石结构的 γ-Ga₂O₃ 相似。目前 LiGa₅O₈ 热输运特性的研究还很少，LiGa₅O₈ 的晶格热导率还没有报导，新疆大学的研究团队采用第一性原理计算的方法对 LiGa₅O₈ 的热学特性进行了详细研究，为未来丰富氧化镓热学特性提供一些指导。

        LiGa₅O₈ 是一种具有宽带隙和 P 型特性的有前途的尖晶石结构半导体。在本研究中，首次结合第一性原理研究和迭代求解的玻尔兹曼输运方程，报道了 LiGa₅O₈ 的晶格热导率。研究结果表明，在室温下，晶格热导率呈现各向同性行为，沿[100]、[010] 和 [001] 晶体学方向的热导率均达到4.41 Wm⁻¹K⁻¹。研究详细探讨了包括声子色散、群速度、散射机制以及平均自由程分布在内的多种热传导特性。与缺陷尖晶石结构的 γ-Ga₂O₃ 进行比较研究表明，晶格刚度、晶格软化以及缺陷工程在实现超低晶格热导率方面发挥着关键作用。优化微结构可实现对晶格热导率的有效调控。这些发现为该材料在电力电子和热电能量转换应用中的热管理潜力提供了有价值的见解。

        •首次报道了具有潜在P型宽禁带半导体 LiGa₅O₈ 的晶格热导率，为未来 LiGa₅O₈ 器件级的应用提供一些理论指导。

        •理论计算表明，结构对称性、晶格刚度以及晶格软化对宽禁带半导体 LiGa₅O₈ 的热学特性影响比较大。

        •与 γ-Ga₂O₃ 晶格热导率的对比研究表明，通过微结构优化可以实现晶格热导率的调控，为未来材料设计和热管理优化提供支持。

        在本研究中，通过第一性原理计算、玻尔兹曼输运理论和晶格动力学分析，系统研究了具有尖晶石结构的潜在 P 型掺杂半导体 LiGa₅O₈ 的声子输运性质及晶格热导率机制。为探讨晶体结构对热输运的影响，与具有缺陷尖晶石结构的 γ-Ga₂O₃ 进行了对比分析。研究结果表明，LiGa₅O₈ 具有各向同性，沿[001]、[010] 和 [100] 方向的晶格热导率为 4.41 Wm⁻¹K⁻¹，显著高于 γ-Ga₂O₃。两种材料截然不同的热传导行为主要由其结构有序度与无序度决定，这些因素影响声子散射过程及能量传递效率。

        通过分析声子非谐散射、格林内森参数和累积热导率，进一步阐明了晶格热导率差异的内在机制。LiGa₅O₈ 有序的尖晶石结构确保了高结构对称性、增强的晶格刚度和减少的晶格软化，从而促进了高效的热传导。γ-Ga₂O₃ 中阳离子空位和位点无序的存在会引起显著的晶格畸变，放大非谐性相互作用，并导致强烈的声子局域化，从而抑制晶格热导率。本研究为缺陷工程在调控热传导性能方面的作用提供了关键见解，为未来在热管理和热电能量转换领域的应用奠定了基础。

图1. LiGa₅O₈ 的晶体结构。镓原子以绿色表示，锂原子以蓝色表示，氧原子以红色表示。

图2. LiGa₅O₈ 晶格热导率随网格密度变化的收敛行为。

DOI：

doi.org/10.1016/j.mssp.2025.109882