[論文レビュー] Molecular Dynamics Simulations for Anisotropic Thermal Conductivity of Borophene

Yue Jia, Chun Li+4 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2017

Thermal properties of materials参考文献 16被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、M{"u}ller-Plathe法を用いた逆非平衡分子動力学（RNEMD）を用いて、ボロフェンナノリボン（BNR）およびナノチューブ（BNT）の熱伝導率を計算し、強い異方性が示された。すなわち、ジグザグ方向の熱伝導率はアームチェア方向の熱伝導率よりも顕著に高い。結果から、熱伝導率は幅、周囲長、および一軸引張ひずみにほとんど依存しないが、構造に強く依存しており、BNTの熱伝導率はBNRよりも低いことが明らかになった。

ABSTRACT

The present work carries out molecular dynamics simulations to compute the thermal conductivity of the borophene nanoribbon and the borophene nanotube using the Muller-Plathe approach. We investigate the thermal conductivity of the armchair and zigzag borophenes, and show the strong anisotropic thermal conductivity property of borophene. We compare the results of the borophene nanoribbon and the borophene nanotube, and find the thermal conductivity of the borophene is structure dependent.

研究の動機と目的

• 分子動力学シミュレーションを用いてボロフェンの異方的熱伝導率を調査すること。
• ボロフェンナノリボン（BNR）とナノチューブ（BNT）の間での熱輸送特性を比較すること。
• 幅、周囲長、および印加されたひずみなどの構造的パラメータが熱伝導率に与える影響を検討すること。
• ボロフェンの熱伝導率が構造依存的であるか、ひずみに不感であるかを特定すること。

提案手法

• ボロフェン内のボロン-ボロン相互作用をモデル化するためにStillinger-Weber（SW）ポテンシャルを用いた。
• 熱伝導率を計算するために、M{"u}ller-Platheアルゴリズムを用いた逆非平衡分子動力学（RNEMD）法を適用した。
• 定常な熱フラックスを確立するために、5 fsごとに速度を入れ替えるNVEアンサンブルを用いた。
• 熱フラックス方向に50枚のスラブにシステムを分割し、温度勾配を計算した。
• 800万ステップにわたり0.5 fsごとに温度データを収集し、初期化に30万ステップを割り当てた。
• 幅、周囲長、および印加されたひずみを変化させたアームチェア方向およびジグザグ方向のBNRおよびBNTをシミュレートした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボロフェンナノリボンのアームチェア方向およびジグザグ方向における熱伝導率は何か？
• RQ2 ボロフェンナノチューブの熱伝導率はナノリボンと比べてどうか？
• RQ3 ボロフェンの熱伝導率は幅や周囲長に依存するか？
• RQ4 熱フラックス方向に沿った一軸ひずみが熱伝導率に与える影響は何か？
• RQ5 ボロフェンの熱伝導率は異方的であるか。もしそうなら、その異方性はどの程度強いのか？

主な発見

• ジグザグ方向のボロフェンナノリボンの熱伝導率は408.03 W/mKに達し、アームチェア方向の174.86 W/mKよりも顕著に高い。
• ボロフェンナノリボンの熱伝導率はリボンの幅に依存せず、さまざまな幅においても安定した値を示した。
• ボロフェンナノチューブの熱伝導率は周囲長の変化に無関係で、さまざまな周囲長においても一貫した値を維持した。
• ボロフェンナノリボンおよびナノチューブの両方の熱伝導率は、熱フラックス方向に2%までの単軸ひずみに対して影響を受けなかった。
• ナノチューブの熱伝導率はナノリボンよりも低く、熱輸送の構造依存性が強いことが示された。
• 本研究では、ボロフェンに強い内在的熱的異方性が確認され、ジグザグ方向の熱伝導率がアームチェア方向よりも顕著に高いことが明らかになった。