Quantitative modeling of phonon-bridge modulated heat transport at GaN/Al interfaces using machine learning potentials

人工智能 计算机科学 材料科学 物理 机器学习 机械工程 化学 统计物理学 输运现象 工作(物理) 支持向量机 传热 输运理论 生物系统 工程类 模拟
作者
Feng Wang,Shuyu Bi,Jingpei Zhu,Tao Hu,Xiaoxin Zhang,Zhongming Ren
出处
期刊:Applied Surface Science [Elsevier BV]
卷期号:754: 168554-168554
标识
DOI:10.1016/j.apsusc.2026.168554
摘要

Efficient thermal management is critical for high-power gallium nitride (GaN)-based electronic devices. However, accurately modeling thermal transport across the GaN/Al interface, particularly in the presence of phonon bridges, remains challenging for molecular dynamics (MD) due to the limited fidelity of conventional interatomic potentials. Here, we develop a high-accuracy machine learning interatomic potential (MLIP) to systematically investigate phonon-bridge-mediated interfacial thermal conductance (ITC) of the GaN/Al heterointerface. We unveil a pronounced dichotomous dependence of ITC on the phonon-bridge thickness. While the pristine GaN/Al interface exhibits an ITC of 0.35 GW/m 2 K, introducing a 10 Å AlN intermediate layer maximizes the ITC to nearly 0.6 GW/m 2 K. Notably, as the bridge thickness increases, the ITC gradually degrades, reaching a critical thickness at approximately 50 Å where it converges to the pristine value. Comprehensive analyses of the interfacial phonon density of states and spatial temperature profiles elucidate the underlying mechanism: this critical thickness is governed by a trade-off between the enhanced interfacial phonon spectral matching and the increasing intrinsic bulk thermal resistance of the AlN layer. Furthermore, we propose an analytical model that quantitatively captures this modulation of interfacial heat transport. Our findings provide theoretical guidelines for engineering phonon bridges in next-generation thermal management architectures.

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