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Concurrent high thermal conductivity and high carrier mobility in tetragonal tantalum nitride

材料科学 热导率 氮化钽 氮化物 四方晶系 电阻率和电导率 电导率 冶金 结晶学 复合材料 化学 晶体结构 电气工程 物理化学 图层(电子) 工程类
作者
Xianyong Ding,Xin Jin,Dengfeng Li,Jing Fan,Xiaoyuan Zhou,Xuewei Lv,Xiaolong Yang,Zhenxiang Cheng,Rui Wang
出处
期刊:Applied physics reviews [American Institute of Physics]
卷期号:12 (2)
标识
DOI:10.1063/5.0259103
摘要

Semiconductor devices demand materials that exhibit exceptional carrier and heat transport; however, such materials have remained exceedingly scarce. Using rigorous first-principles calculations, we identify tetragonal tantalum nitride (t-TaN) as a narrow bandgap semiconductor that uniquely achieves both high thermal conductivity (κ) and high carrier mobility (μ). At room temperature, t-TaN demonstrates an extraordinary κ of up to 677 W m−1 K−1, surpassing that of most widely used semiconductors. This remarkable κ arises from the synergistic effects of phonon bunching and a substantial frequency gap in the phonon spectrum, which significantly suppresses phonon–phonon scattering. Even more strikingly, t-TaN exhibits exceptional hole μ exceeding 4700 cm2 V−1 s−1 at room temperature, outperforming all known high-κ bulk semiconductors. This ultrahigh μ is attributed to its elevated Fermi velocity and weak electron–phonon coupling, stemming from its unique electronic and phononic structures. These findings position t-TaN as a compelling candidate for advanced electronic and optoelectronic applications, while also offering a transformative perspective for discovering high-performance semiconductors with dual advantages.

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