Thermal conductivity of compound semiconductors: Interplay of mass density and acoustic-optical phonon frequency gap

Abstract

The thermal conductivities of model compound semiconductors, where the two species differ only in mass, are predicted using lattice dynamics calculations and the Boltzmann transport equation. The thermal conductivity varies non-monotonically with mass ratio, with a maximum value that is four times higher than that of a monatomic semiconductor of the same density. The very high thermal conductivities are attributed to a reduction in the scattering of optical phonons when the acoustic-optical frequency gap in the phonon dispersion approaches the maximum acoustic phonon frequency. The model system predictions compare well to predictions for real compound semiconductors under appropriate scaling, suggesting a universal behavior and a strategy for efficient screening of materials for high thermal conductivity. V C 2014 AIP Publishing LLC.

Effects of functional group mass variance on vibrational properties and thermal transport in graphene

“…To correlate the changes in κ and κ accumulation with varying mass, and thus varying phonon frequencies, Fig. 4 gives the dispersion of these systems in the M → Γ direction for the LA branch and the two most dispersive optic branches in the spectrum; Table I Table I not exist in compound semiconductors with mass ratios >4 [53]. This condition, however, depends critically on crystal structure and does not apply to various rocksalt compounds [56], nor to the systems here.…”

Теплопроводность Кристаллов Антимонида Галлия В Условиях Всестороннего Сжатия

“…Как показывают теоретические расчеты [7], при ε < 2 вклад оптических фононов в теплоперенос не превышает 4%. Для антимо-нида галлия ε = 1.75, и ввиду этого участие оптических фононов в теплопереносе незначительно.…”

“…Из диспер-сионных кривых для GaSb (см., например, [1]) также видно, что скорость оптических фононов близка к нулю, следовательно, тепло они не переносят. В то же время, как показано в [7,25,26], при ε < 2 важным является рассеяние акустических фононов на оптических.…”

“…Особый инте-рес кристаллы GaSb вызывают в связи с изучением механизмов переноса тепла в условиях всестороннего сжатия, поскольку представляют собой соединение с хорошо изученным фононным спектром [1][2][3][4][5][6][7][8], упругими модулями [8][9][10][11][12] и их зависимостями от давления [3][4][5]9]. Кроме того, интерес к изучению GaSb поддерживается его востребованностью в производстве оптоэлектронных приборов инфракрасного диапазона, в термофотоэлек-трических генераторах и других технических устрой-ствах [13][14][15][16].…”

Molecular simulations and lattice dynamics determination of Stillinger-Weber GaN thermal conductivity

“…A similar trend was found by Jain and McGaughey for a family of model compound semiconductors. 33 The bulk thermal conductivity of 1; 8256173 W/mÁK is obtained by fitting a linear curve to 1=k z BTE vs 1=N z and extrapolating it to N z ! 1.…”