[論文レビュー] Direction dependent thermal conductivity of monolayer phosphorene: parameterization of Stillinger-Weber potential and molecular dynamics study

Wen Xu, Liyan Zhu+3 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2015

Thermal properties of materials参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、平衡分子動力学シミュレーションを可能にするために、モノレイヤー黒リンのパラメータ化されたスタリングァー＝ウーバー準拠を構築した。その結果、ジグザグ方向では152.7 W/mK、アームチェア方向では33.0 W/mKの強い方向依存性を示す熱伝導率が得られ、比は5に達する。この異方性は主にフォノン群速度の差異に起因し、有効フォノン平均自由行程はジグザグ方向で141.4 nm、アームチェア方向で43.4 nmであった。

ABSTRACT

A Stillinger-Weber interatomic potential is parameterized for phosphorene. It well reproduces the crystal structure, cohesive energy and phonon dispersion predicted by first-principles calculations. The thermal conductivity of phosphorene is further explored by equilibrium molecular dynamics simulations adopting the optimal set of potential parameters. At room temperature, the intrinsic thermal conductivities along zigzag and armchair directions are about 152.7 and 33.0 W/mK, respectively, with a large anisotropy ratio of five. The remarkably directional dependence of thermal conductivity in phosphorene, consistent with previous reports, is mainly due to the strong anisotropy of phonon group velocities, and weak anisotropy of phonon lifetimes as revealed by lattice dynamics calculations. Moreover, the effective phonon mean free paths at zigzag and armchair directions are about 141.4 and 43.4nm, respectively.

研究の動機と目的

• モノレイヤー黒リンの構造的およびエネルギー的性質を正確に捉えることができる、移行可能なスタリングァー＝ウーバー原子間力場を開発すること。
• 平衡分子動力学シミュレーションを用いて、黒リンの固有の熱伝導率を調査すること。
• 熱輸送における強い異方性の起源を、フォノン群速度およびフォノン寿命の分析を通じて理解すること。
• 黒リンにおける異なる結晶学的方向に沿った有効フォノン平均自由行程を定量すること。

提案手法

• スタリングァー＝ウーバー力場を、格子定数、核合力エネルギー、フォノン分散関係といった第一原理データを用いてパラメータ化した。
• 最適化された力場パラメータを用いて、室温における平衡分子動力学シミュレーションを実施し、熱伝導率を計算した。
• 格子力学的計算を用いて、ジグザグ方向およびアームチェア方向に沿ったフォノン群速度およびフォノン寿命を分析した。
• 熱伝導率は、熱流量自己相関関数にグリーン＝キューブ形式を適用することで計算した。
• 有効フォノン平均自由行程は、熱伝導率を比熱、群速度、フォノン状態密度の積で割ることで推定した。
• 構造的および振動的性質に関する第一原理データと比較することで、力場の予測の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノレイヤー黒リンのジグザグ方向およびアームチェア方向における熱伝導率はどの程度か？
• RQ2 なぜ黒リンは熱輸送特性においてこれほど強い異方性を示すのか？
• RQ3 フォノン群速度およびフォノン寿命は、黒リンにおける方向依存性熱伝導率にどのように寄与しているか？
• RQ4 黒リンにおけるジグザグ方向およびアームチェア方向に沿った有効フォノン平均自由行程はそれぞれどの程度か？
• RQ5 スタリングァー＝ウーバー力場を第一原理結果を再現できるように正確にパラメータ化できるか？

主な発見

• 室温におけるモノレイヤー黒リンの熱伝導率は、ジグザグ方向で152.7 W/mK、アームチェア方向で33.0 W/mKであった。
• ジグザグ方向とアームチェア方向の間の熱伝導率の異方性比は約5である。
• 強い異方性は主にフォノン群速度の大きな差異に起因し、フォノン寿命の異方性はわずかであった。
• 有効フォノン平均自由行程は、ジグザグ方向で141.4 nm、アームチェア方向で43.4 nmであった。
• パラメータ化されたスタリングァー＝ウーバー力場は、第一原理計算からの結晶構造、核合力エネルギー、フォノン分散関係を正確に再現した。
• 本研究では、フォノン群速度の異方性が、フォノン寿命の異方性よりも、黒リンにおける全体の熱伝導率異方性を支配することが確認された。