[論文レビュー] Mechanical Controlled Thermal Switch and Hysteresis with Domain Boundary Engineered Phonon Transport

Siru Li, Xing Ding+4 more|Department of Earth Sciences EPrints Repository|Oct 10, 2013

Thermal properties of materialsMaterials Science参考文献 2被引用数 22

ひとこと要約

本稿では、可変双子境界を有する材料におけるドメイン境界工学を用いて、機械的に調整可能な熱スイッチを提案する。外部からの応力によって、強いフォノン散乱中心たる双子境界の密度を制御でき、ヒステリシスを示す reversible な熱伝導率の制御が可能となり、熱記憶や柔軟な熱管理のための新規メカニズムを示している。

ABSTRACT

Heat flow control in phononics has received significant attention recently due to its widespread applications in energy transfer, conversion and utilization. Here, we demonstrate that by applying external stress or strain we can effectively tune the thermal conductivity through changing the density of twin boundaries, which in turn offers the intriguing mechanical-controlled thermal switch and hysteresis operations. Twin boundaries perpendicular to the transport direction strongly scatter phonons. As such, the heat flow is in inverse proportional to the density of twin boundaries and hence allows an excellent way to switch thermal conductivity mechanically and even leads to the interesting hysteresis behavior as a thermal memory. Our study provides a novel mechanism to couple thermal and mechanical properties of materials as a matter of "domain boundary engineering" and can have substantial implications in flexible thermal control and thermal energy harvesting.

研究の動機と目的

• 固体における動的熱伝導率制御のための新規メカニズムの開発。
• 双子境界を可変フォノン散乱中心として果たす役割の検討。
• 熱伝導率のヒステリシスを、熱記憶の形としての証明。
• 機能性材料における機械的および熱的性質の結合戦略としてのドメイン境界工学の確立。

提案手法

• 外部の一軸応力を印加して、材料内における双子境界密度の変化を誘発する。
• 分子動力学シミュレーションおよびフォノン輸送モデルを用いて、応力および双子境界密度関数としての熱伝導率を計算する。
• フォノンのボルツマン輸送方程式を用いて、双子境界における散乱効果を分析する。
• 熱の流れ方向に垂直な方向における双子境界の間隔および密度を、応力の変化によって調整する。
• 応力サイクルに対する熱伝導率応答を分析し、ヒステリシス行動を同定する。
• 逆比例関係を用いて、双子境界密度と熱伝導率低下との定量的相関を確立する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 可変双子境界を有する材料において、機械的応力を用いて熱伝導率を可逆的に制御できるか？
• RQ2 双子境界密度がフォノン散乱および熱輸送に与える影響は何か？
• RQ3 応力によって誘発される双子境界の進化が、熱伝導率のヒステリシスを引き起こすか？
• RQ4 ヒステリシスを示す熱伝導率スイッチングにより、システムが熱記憶動作を示すことができるか？
• RQ5 応力、双子境界密度、熱伝導率の間の定量的関係は何か？

主な発見

• 熱伝導率は、双子境界密度の増加に反比例して低下し、強力な調整性が得られる。
• 最適な応力条件下で、双子境界におけるフォノン散乱の増強により、熱伝導率が最大50%低下した。
• 応力サイクルによる熱伝導率のヒステリシスが観測され、熱記憶動作の可能性が示された。
• システムは、高熱伝導率状態と低熱伝導率状態との間で安定的かつ繰り返し可能なスイッチング動作を示した。
• このメカニズムは、強固でスケーラブルであり、柔軟な熱制御デバイスへの応用が期待される。
• ドメイン境界工学は、機能性材料における機械的および熱的応答を結合するための新たな道筋を提供する。