Conductividad térmica anómala dependiente de la temperatura del monoesqueleto GaN con grandes desviaciones de la ley tradicional 1/T

La disipación de calor eficiente, que se caracteriza por una alta conductividad térmica, es uno de los problemas cruciales para la fiabilidad y estabilidad de los nano dispositivos. Sin embargo, debido a la rápida disminución general de 1/T de la conductividad térmica con el aumento de la temperatura, la eficiencia de la disipación de calor disminuye rápidamente a una temperatura elevada causada por el aumento de la carga de trabajo en los dispositivos electrónicos. Para este fin, la búsqueda de materiales semiconductores que posean una gran conductividad térmica a alta temperatura, es decir, una disminución más lenta de la conductividad térmica con el aumento de la temperatura que la relación tradicional 1/T, es extremadamente importante para el desarrollo de nanoelectrónica disruptiva. Recientemente, el nitruro de galio (GaN) en monocapa con una estructura planar en forma de panal ha emergido como un nuevo material bidimensional prometedor con un gran potencial para aplicaciones en nano y optoelectrónica. Aquí, informamos que, a pesar de la relación 1/T comúnmente establecida de la conductividad térmica en muchos materiales, el GaN en monocapa exhibe un comportamiento anómalo en el que la conductividad térmica casi disminuye linealmente sobre un amplio rango de temperatura por encima de 300 K, desviándose en gran medida de la ley tradicional 1/T. La conductividad térmica a alta temperatura es mucho mayor que la conductividad térmica esperada que sigue la tendencia general de 1/T, lo que sería beneficioso para aplicaciones de GaN en monocapa en nano y optoelectrónica en términos de disipación de calor eficiente. Realizamos un análisis detallado sobre los mecanismos subyacentes a la conductividad térmica anómala dependiente de la temperatura del GaN en monocapa en el marco de la teoría de transporte de Boltzmann y además obtenemos información desde la perspectiva de la estructura electrónica. Más allá de eso, también proponemos dos condiciones requeridas para materiales que exhiban una dependencia de temperatura anómala similar de la conductividad térmica: una gran diferencia en la masa atómica (gran brecha de banda de fonones) y en la electronegatividad (división LO-TO debido a la fuerte polarización del enlace). Nuestro estudio ofrece una comprensión fundamental del transporte de fonones en GaN en monocapa, y la información obtenida de este estudio es de gran importancia para el diseño y búsqueda de materiales superiores para aplicaciones en nano y optoelectrónica en términos de gestión térmica de alto rendimiento.