JAP | 清华大学曹炳阳团队：氮化铝热物性高精度快速模拟的机器学习势

纤锌矿氮化铝（w-AlN）是一种具有优异特性的超宽禁带半导体材料，已广泛用于制造功率器件、射频器件及光电子器件等。正因如此，w-AlN的热物性，特别是在实际应用中受残余应变影响的w-AlN热物性，会显著影响相关器件的性能、效率和可靠性。为了高效、准确地模拟w-AlN热物性，并揭示应变的影响机制，本研究基于原子团簇展开（atomic cluster expansion，ACE）理论框架，训练了一种机器学习原子间势函数。该势函数能够准确描述材料的势能面，从而在预测能量和原子受力上均达到了量子力学精度（如图1所示）。

针对w-AlN的各类物理性质，如基态晶格常数、定容比热容、热膨胀系数、体模量和声子色散关系，该ACE势的预测值均与第一性原理计算结果相符。并且，不同温度下该ACE势所预测的w-AlN热导率与第一性原理计算结果以及实验测量结果也高度吻合（如图2所示），彰显了该ACE势在充分描述声子间简谐及非简谐相互作用方面的整体能力。

晶格应变是影响异质外延器件电热设计的重要因素。利用所训练的ACE势，本研究继续开展了晶格动力学模拟，以揭示双轴应变对w-AlN热导率的影响。计算结果表明，当双轴拉伸（压缩）应变为4%时，w-AlN的热导率约降低40%（增加30%），并且晶格应变和温度对热导率的影响近似相互独立。对不同应变下声子图像的分析表明，单模声子比热、声子群速度、声子弛豫时间，以及声子非谐性的一致变化是导致热导率变化的主要原因，而所有这些因素均源于声子色散关系在双轴应变下所产生的变化。因此，通过声子应变工程调控电子器件的近结热输运过程是可行的，这有助于新型电子器件的开发与优化设计。

杨光（共同第一作者）：清华大学航天航空学院博士研究生，主要研究方向为半导体异质结的导热性质及其调控、电子器件的近结热设计等。发表SCI论文6篇，申请国家发明专利3项。曾获中国热物性学术会议“煜志”极端条件热物性测量研究奖、清华大学学生实验室建设贡献一等奖等。

刘源斌（共同第一作者）：英国牛津大学化学系博士后研究员，博士毕业于清华大学航天航空学院。主要研究兴趣在于将机器学习应用于材料的多尺度模拟，特别是用于复杂材料的建模及其导热机理研究，也致力于新能源材料的开发。曾获清华大学优秀博士学位论文奖、中国工程热物理学会传热传质分会“王补宣-过增元青年优秀论文一等奖”等荣誉。

曹炳阳（通讯作者）：清华大学航天航空学院教授，院长，国家杰青 ，亚洲热科学联合会、国际先进材料学会和美国工程科学学会Fellow。曾获得中国工程热物理学会吴仲华优秀青年学者奖、教育部自然科学一等奖、国际先进材料学会IAAM Medal、爱思唯尔高被引学者奖、华为公司星辰奖等荣誉。担任国际传热大会常务理事会理事、国际传热传质中心科学理事会理事、亚洲热科学与工程联合会秘书长、中国航空教育学会常务理事、中国复合材料学会导热复合材料专业委员会副主任、中国工程热物理学会理事等学术职务。主要研究领域为微纳尺度传热、热功能材料及电子系统热管理，著有专著《纳米结构的非傅里叶导热》，迄今在Advanced Materials、Physical Review Letters、International Journal of Heat and Mass Transfer等期刊发表SCI学术论文200余篇，担任ES Energy & Environment主编，International Journal of Thermal Sciences副主编和10多个国际期刊编委。

 来源：AIPP学术