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Thermal Conductivity of Wurtzite Zinc-Oxide from First-Principles Lattice Dynamics – a Comparative Study with Gallium Nitride

机译：第一性原理晶格动力学获得的纤锌矿型氧化锌的导热系数–与氮化镓的比较研究

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摘要

Wurtzite Zinc-Oxide (w-ZnO) is a wide bandgap semiconductor that holds promise in power electronics applications, where heat dissipation is of critical importance. However, large discrepancies exist in the literature on the thermal conductivity of w-ZnO. In this paper, we determine the thermal conductivity of w-ZnO using first-principles lattice dynamics and compare it to that of wurtzite Gallium-Nitride (w-GaN) – another important wide bandgap semiconductor with the same crystal structure and similar atomic masses as w-ZnO. However, the thermal conductivity values show large differences (400 W/mK of w-GaN vs. 50 W/mK of w-ZnO at room temperature). It is found that the much lower thermal conductivity of ZnO originates from the smaller phonon group velocities, larger three-phonon scattering phase space and larger anharmonicity. Compared to w-GaN, w-ZnO has a smaller frequency gap in phonon dispersion, which is responsible for the stronger anharmonic phonon scattering, and the weaker interatomic bonds in w-ZnO leads to smaller phonon group velocities. The thermal conductivity of w-ZnO also shows strong size effect with nano-sized grains or structures. The results from this work help identify the cause of large discrepancies in w-ZnO thermal conductivity and will provide in-depth understanding of phonon dynamics for the design of w-ZnO-based electronics.
机译：纤锌矿型氧化锌（w-ZnO）是一种宽带隙半导体，在散热至关重要的电力电子应用中具有广阔的前景。但是，文献中关于w-ZnO的热导率存在很大差异。在本文中，我们使用第一性原理晶格动力学确定w-ZnO的热导率，并将其与纤锌矿型氮化镓（w-GaN）的热导率进行比较，后者是另一种重要的宽带隙半导体，具有相同的晶体结构和相似的原子质量。氧化锌然而，在室温下，热导率值显示出较大的差异（w-GaN的400 / W / mK与w-ZnO的50 / W / mK）。结果发现，ZnO的较低的热导率来自较小的声子基团速度，较大的三声子散射相空间和较大的非谐性。与w-GaN相比，w-ZnO在声子色散中具有较小的频率间隙，这导致更强的非谐声子散射，而w-ZnO中较弱的原子间键导致声子基团速度更小。 w-ZnO的热导率对纳米尺寸的晶粒或结构也显示出强大的尺寸效应。这项工作的结果有助于确定w-ZnO热导率差异较大的原因，并将为基于w-ZnO的电子设计提供对声子动力学的深入理解。

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