Stronger role of four-phonon scattering than three-phonon scattering in thermal conductivity of III-V semiconductors at room temperature

声子 声子散射 散射 热导率 凝聚态物理 材料科学 半导体 物理 光学 光电子学 复合材料
作者
Xiaolong Yang,Tianli Feng,Ju Li,Xiulin Ruan
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:100 (24) 被引量:132
标识
DOI:10.1103/physrevb.100.245203
摘要

Recent studies reveal that four-phonon scattering is generally important in determining thermal conductivities of solids. However, these studies have been focused on materials where thermal conductivity $\kappa$ is dominated by acoustic phonons, and the impact of four phonon scattering, although significant, is still generally smaller than three-phonon scattering. In this work, taking AlSb as example, we demonstrated that four-phonon scattering is even more critical to three-phonon scattering as it diminishes optical phonon thermal transport, and therefore significantly reduces the thermal conductivities of materials in which optical branches have long three-phonon lifetimes. Also, our calculations show that four-phonon scattering can play an extremely important role in weakening the isotope effect on $\kappa$. Specifically, four-phonon scattering reduces the room-temperature $\kappa$ of the isotopically pure and natural-occurring AlSb by 70$\%$ and 50$\%$, respectively. The reduction for isotopically pure and natural-occurring c-GaN is about 34$\%$ and 27$\%$, respectively. For isotopically-pure w-GaN, the reduction is about 13$\%$ at room temperature and 25$\%$ at 400 K. These results provided important guidance for experimentalists for achieving high thermal conductivities in III-V compounds for applications in semiconductor industry.
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