[論文レビュー] First principles investigation of high thermal conductivity in hexagonal germanium carbide(2H-GeC)

Rajmohan Muthaiah, Jivtesh Garg|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2021

Thermal properties of materials被引用数 5

ひとこと要約

この第一原理的研究では、マイクロ/ナノエレクトロニクス向けに高熱伝導性を示す炭化ゲルマニウムホウレンズ（2H-GeC）を調査している。密度汎関数理論とボルツマン輸送計算を用いて、300 Kにおける熱伝導度はa軸方向で1350 Wm⁻¹K⁻¹、c軸方向で1050 Wm⁻¹K⁻¹を報告している。これは2H-SiCの130%以上高く、立方晶GeC（c-GeC）と同等の値であり、ナノスケールデバイスにおける熱管理に有望である。

ABSTRACT

Designing and searching for a high thermal conductivity material in both bulk and nanoscale is highly demanding for electronics cooling. In this work, we studied the thermal conductivity of 2H-Germanium Carbide(2H-GeC) using first principles calculations. At 300 K, we are reporting a high thermal conductivity of 1350 Wm-1K-1 and 1050 Wm-1K-1 along a-axis and c-axis respectively for pure 2H-GeC. These values are 130% higher than the thermal conductivity of 2H-silicon carbide and 20% lower than cubic germanium carbide(c-GeC). We analyzed the phonon group velocities, phonon scattering rates and mode contribution from acoustic and optical phonons. We also studied the thermal conductivity of nanostructured 2H-GeC for heat dissipation in nanoelectronics. At room temperature, thermal conductivity of 2H-GeC is ~65 Wm-1K-1 at nanometer length scales(L) of 100 nm is equal to that of the c-GeC. This result suggests that, 2H- GeC will be a promising material for thermal management applications in micro/nano electronics.

研究の動機と目的

• 次世代マイクロ/ナノエレクトロニクス向けに高熱伝導性材料としての2H-GeCの特定と評価を行う。
• 2H-GeCにおける高熱伝導度をもたらすフォノン輸送メカニズムを理解する。
• 実用的デバイス統合を想定した室温におけるナノ構造化2H-GeCの熱的性能を評価する。
• ベンチマーク目的として、2H-SiCおよび立方晶GeC（c-GeC）との熱伝導度を比較する。
• 寸法依存の熱伝導度解析を通じて、2H-GeCがナノスケール熱管理アプリケーションに果たす可能性を検討する。

提案手法

• 2H-GeCにおける電子構造および原子間力の計算に密度汎関数理論（DFT）を採用した。
• 調和的および非調和的力定数を用いてフォノン分散関係および群速度を計算した。
• 緩和時間近似を用いたボルツマン輸送方程式（BTE）を適用し、熱伝導度を計算した。
• フォノン散乱率および縦波・横波フォノンモードごとの寄与を分析した。
• ナノスケールの閉じ込め効果を考慮し、カジミール極限を用いてナノ構造化2H-GeCにおける寸法依存熱伝導度をシミュレートした。
• 2H-SiCおよびc-GeCといった既知の材料との比較を通じて、結果の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温（300 K）における2H-GeCのa軸およびc軸方向の固有熱伝導度はどの程度か？
• RQ2 フォノン群速度および散乱率は、2H-GeCにおける熱輸送にどのように寄与するか？
• RQ3 縦波フォノンと横波フォノンモードの熱伝導度への寄与はそれぞれどの程度か？
• RQ4 ナノ構造における2H-GeCの熱伝導度は、寸法が小さくなるに従ってどのように変化するか？
• RQ5 同一条件下で2H-GeCの熱伝導度は2H-SiCおよびc-GeCと比較してどの程度か？

主な発見

• 300 Kにおける2H-GeCの熱伝導度は、a軸方向で1350 Wm⁻¹K⁻¹、c軸方向で1050 Wm⁻¹K⁻¹であった。
• 2H-GeCの熱伝導度は2H-SiCの130%以上高く、優れた熱輸送特性を示している。
• 100 nmのナノスケール寸法における2H-GeCの熱伝導度は約65 Wm⁻¹K⁻¹であり、立方晶GeC（c-GeC）と同等の値であった。
• 高いフォノン群速度と低い散乱率が、2H-GeCにおける高熱伝導度に寄与している。
• 縦波フォノンが熱輸送を支配しているが、分散特性および結合性が良好なため、横波フォノンの寄与も顕著であった。
• ナノスケール寸法においても高い熱伝導度を維持するため、ナノエレクトロニクスの熱管理用途に強く有望である。