[論文レビュー] Further improvement of lattice thermal conductivity from bulk crystalline to 1-D-chain polyethylene: A high-yet-finite thermal conductivity using first-principles calculation

Xinjiang Wang, Massoud Kaviany+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2017

Thermal properties of materials参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、第一原理的非調和格子力学を用いて、単一鎖状ポリエチレンが、相互作用の弱体化とフォノン散乱の相空間の抑制により、室温で著しく高く有限な格子熱伝導率1400 W/m·Kを示すことを予測した。この有限な値は、低振動数の曲げモードおよびねじりモードにおける強い非調和的散乱に起因するが、二次分散を示す横フォノンの寄与は最小限である。

ABSTRACT

We calculate the thermal conductivity (\k{appa}) of both bulk crystalline and single-chain polyethylene (PE) using the first-principles-based anharmonic lattice dynamics. Despite its low \k{appa} in amorphous state, the predicted bulk crystal has high axial \k{appa} (237 W/m-K) at room temperature. The much lower measured \k{appa} is attributed to the small size of nanocrystallites (~10 nm) in synthesized semi-crystalline PE. For the 1-D chain, the predicted \k{appa} is much larger and yet finite (1400 W/m-K at room temperature). The reduction of scattering phase space caused by the diminished interchain van der Waals interactions explains this larger \k{appa}. It is also found that the transverse phonon branches with quadratic dispersion make minor contribution to this, due to their vanishing group velocity in the long-wavelength limit. Moreover, the low-frequency bending and twisting phonon modes are strongly coupled and dominate anharmonic phonon scatterings, leading to the finite \k{appa}. The predicted high \k{appa} of bulk and chain PE crystals enable polymer usage in thermal management and the above phonon scatterings provide guide for their nano-designs.

研究の動機と目的

• ポリエチレンの格子熱伝導率が、バルク結晶性および一次元鎖構造の両方の状況においてどのように変化するかを調査すること。
• 一次元ポリエチレン鎖が高熱伝導率を示すが有限な理由を理解すること。
• フォノン分散および非調和的散乱メカニズムが熱輸送特性をどのように決定するかを特定すること。
• ナノ構造化を活用したポリマー系熱管理材料の設計原則を提供すること。

提案手法

• フォノン分散および非調和力定数を計算するために、密度汎関数理論（DFT）に基づく第一原理計算が用いられた。
• フォノンのボルツマン輸送方程式を用いて、非調和的格子力学を適用し、格子熱伝導率を計算した。
• バルク結晶性ポリエチレンと孤立した一次元ポリエチレン鎖の熱伝導率を比較した。
• 異なる振動モードからの寄与を評価するために、フォノン群速度および散乱率を分析した。
• 鎖間のファンデルワールス相互作用の役割を、バルク状態と孤立鎖状態の鎖間結合の比較によって定量的に評価した。
• 低振動数の曲げモードおよびねじりモードの非調和的結合および散乱効果を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 孤立した一次元ポリエチレン鎖の格子熱伝導率は、バルク結晶性ポリエチレンと比べてどの程度か？
• RQ2 次元が低下しているにもかかわらず、なぜ一次元鎖は高い熱伝導率を示すのか？
• RQ3 鎖間のファンデルワールス相互作用は、フォノン散乱および熱伝導率にどのように影響するか？
• RQ4 二次分散を示す横フォノンモードの熱輸送への寄与は何か？
• RQ5 低振動数の曲げモードおよびねじりモードにおける非調和的結合が、熱伝導率の制限に果たす役割は何か？

主な発見

• 予測されたバルク結晶性ポリエチレンの室温における格子熱伝導率は237 W/m·Kであり、実験的に測定された値よりも顕著に高い。
• 実際の半結晶性試料に約10 nmの微小ナノ結晶が存在するため、実験的に測定された値は低めに評価されているとされる。
• 一次元ポリエチレン鎖は室温で1400 W/m·Kの熱伝導率を示し、バルク形態よりも顕著に向上している。
• 一次元鎖における高い伝導率は、鎖間のファンデルワールス相互作用の低減に起因し、フォノン散乱の相空間が小さくなるためである。
• 二次分散を示す横フォノンモードは、長波長極限における群速度の消失により、寄与が最小限に抑えられる。
• 低振動数の曲げモードおよびねじりモードにおける強い非調和的結合がフォノン散乱を支配し、有限ではあるが高い熱伝導率をもたらしている。