[論文レビュー] Current-Induced Heat Transfer in Double-Layer Graphene

Jiebin Peng, Jian‐Sheng Wang|arXiv (Cornell University)|May 24, 2018

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、フラクチュエーショナル電磁力学および非平衡グリーン関数法を用いて、均一な温度下でも二重層グラフェンにおける電流駆動放射熱伝導を示している。熱流量は電流または電圧バイアスに比例して2乗に比例し、外部電圧によって方向を反転させたり、遮断することも可能であり、これはグラフェンにおける負のランダウ減衰と関連している。本研究は、2次元系における能動的熱管理の新たな道筋を提供する。

ABSTRACT

Using the fluctuational electrodynamics and nonequilibrium Green's function methods, we demonstrate the existence of a current-induced heat transfer in double-layer graphene even when the temperatures of the two sheets are the same. The heat flux is quadratically dependent on the current. When temperatures are different, external voltage bias can reverse the direction of heat flow. The drift effect can exist in both macroscopic and nanosized double-layer graphene and extend to any other 2D electron systems. These results pave the way for a different approach to the thermal management through radiation in nonequilibrium systems.

研究の動機と目的

• 電子の漂流によって引き起こされる非平衡状態における二重層グラフェンの放射熱伝導（RHT）を調査すること。
• 両層が同じ温度にある場合でも、電流が熱伝導を引き起こすかどうかを特定すること。
• 電圧バイアスが非平衡グラフェン系における熱流量の方向および大きさをどのように制御するかを調査すること。
• ドリフト駆動効果が、マクロスケールおよびナノスケールの2次元電子系に一般に適用可能かどうかを確立すること。

提案手法

• 電子の漂流を1つのグラフェン層に反映させるために、ドップラー変換されたボーズ分布関数を用いたフラクチュエーショナル電磁力学（FE）モデルを構築する。
• 非平衡グリーン関数（NEGF）形式を用いて電流および熱流量を計算し、漂流速度を組み込んだ極化関数を適用する。
• 緩和時間近似を用いてドリフト誘発分布を記述し、光子統計における化学ポテンシャルのシフトに類似した記述を行う。
• 非遅延極限におけるp偏光の消去モードの透過係数を導出する。反射係数は漂流速度によって修正される。
• ケルディッシュ形式における電流演算子の図式展開を用い、Dyson方程式の恒等式を用いて10個の自己エネルギー図を2つに簡略化する。
• フーリエ変換を用いて時間領域の式を周波数領域に変換し、最終的な熱電流式を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 両層が同じ温度にある場合でも、電流によって二重層グラフェンにおける放射熱伝導が誘発されるか？
• RQ2 非平衡グラフェン系において、熱流量の大きさと方向は、印加電流または電圧バイアスにどのように依存するか？
• RQ3 外部電圧バイアスによって、温度勾配によって駆動される熱流量を逆転または遮断できるか？
• RQ4 2次元系（グラフェンなど）における電流駆動熱伝導を可能にする物理的メカニズムは何か？
• RQ5 ドリフト駆動熱伝導効果は、マクロスケールおよびナノスケールの2次元電子系において一般に観測可能であり、普遍的か？

主な発見

• 同じ温度下でも、二重層グラフェンにおいて電流駆動熱流量が存在し、熱的勾配がなくても非平衡状態における放射熱伝導が実現されることを示した。
• 熱流量は漂流速度または印加電圧バイアスに比例して2乗に比例し、電流注入に対する非線形応答を示している。
• 外部電圧バイアスにより熱流量の向きを反転させることができ、熱輸送の能動的制御が可能である。
• 電圧バイアスを調整することで熱流量をゼロに抑えることができ、熱放射の完全な制御が可能であることを示した。
• この現象の背後には、グラフェンに特有の負のランダウ減衰が関与しており、これが本現象を可能にしている。
• このメカニズムは、マクロスケールおよびナノスケールのグラフェンに限らず、他の2次元電子系にも一般化可能である。