【国内论文】硅掺杂氧化镓中显著的声子局域化和传输抑制： 使用统一神经网络原子间势的研究

        近日，由华中科技大学的研究团队在学术期刊Journal of Materiomics发布了一篇名为Significant phonon localization and suppressed transport in silicon-doped gallium oxide: A study using a unified neural network interatomic potential（硅掺杂氧化镓中显著的声子局域化和传输抑制： 使用统一神经网络原子间势的研究）的文章。

摘要

        单斜氧化镓 (β-Ga₂O₃) 是一种具有广泛应用潜力的第四代半导体，特别适用于高功率微电子学领域。最近的研究表明，通过硅 (Si) 掺杂可以显著增强β-Ga₂O₃的电导率。然而，对于热传输的影响，特别是考虑到晶体中的实际纳米结构，这方面的研究尚未进行。为了解决这一空白，我们开发了一种统一的神经网络势，研究不同掺杂水平下β-(Si_xGa_1–x)₂O₃的未探索的声子传输。我们的原子模拟表明，与本征β-Ga₂O₃相比，在室温下，β-SiGa₅₁₁O₇₆₈的热导率分别沿a、b和c轴降低了36.5%、33.5%和38.8%，而在β-SiGa₇O₁₂中分别降低了79.6%、74.9%和77.8%。声子传输显著降低的原因归因于晶格非谐性增加、声速降低，以及最重要的是由于Si取代引起的声子局域化。定量分析显示，局域化主要发生在频率超过2.5 THz的声子中。振动限制在Si原子周围的区域，仅延伸到其第二近邻。

图 1. (a) β-SiGa₇O₁₂单胞的晶体结构，其中 β-Ga₂O₃中的一个Ga_I 原子被 Si 原子取代。颜色代码：Ga_I ，浅蓝色；Ga_II，紫色；Si，橙色；O，黄色。下标 "I "和 "II "分别表示镓原子位于四面体还是八面体配位位点。(b) β-(Si_xGa_1–x)₂O₃ 晶体训练集的 PCA 图。该集合包括 3013、100、502、499 和 2866 个构型，x 分数分别为 0.000、0.016、0.031、0.063 和 0.125，每个构型包含 160 个原子。色条代表相应原子构型的能量。NNP 和 DFT 计算的 (c) 能量和 (d) 原子力的比较。红色三角形和深蓝色圆圈分别代表原始和掺杂硅的β-Ga₂O₃。绝对误差的概率分布为相应的小图。

图 2. 使用 FDM-NNP（红色曲线）和 FDM-DFT（蓝色曲线）方法计算的 (a) β-Ga₂O₃ 和 (b) β-SiGa₇O₁₂ 的声子色散关系和部分 PDOS。部分 PDOS 是使用我们的 NNP 计算得出的，其中橙色、浅蓝色和黄色线条分别代表 Si、Ga 和 O 原子的贡献。