[論文レビュー] Nanoscale Graphene Disk: A Natural Functionally Graded Material --The Thermal Conductivity of Nanoscale Graphene Disk by Molecular Dynamics Simulation

Nuo Yang, Shiqian Hu+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2014

Thermal properties of materialsMaterials Science参考文献 44被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、非平衡分子動力学シミュレーションを用いてナノスケールグラフェンディスク（NGD）の熱伝導率を調査し、フォノン輸送の半径方向変化に起因して、NGDが自然に機能的勾配を持つ熱的性質を示すことを実証した。結果から、NGDは半径方向に勾配を持つ熱伝導率を示し、広い温度範囲で内在的機能的勾配材料（FGM）として利用可能であることが明らかになった。熱伝導率は半径が大きくなるにつれて低下し、温度が上昇するともに低下する。

ABSTRACT

In this letter, we investigate numerically (by non-equilibrium molecular dynamics) and analytically the thermal conductivity of nanoscale graphene disks (NGDs), and discussed the possibility to realize FGM with only one material, NGDs. We found that the NGD has a graded thermal conductivity and can be used as FGM in a large temperature range. Moreover, we show the dependent of NGDs' thermal conductivity on radius and temperature. Our study may inspire experimentalists to develop NGD based FGMs and help heat removal of hot spots on chips by graphene.

研究の動機と目的

• ナノスケールグラフェンディスク（NGD）の内在的熱輸送特性を、新たな機能的勾配材料（FGM）のクラスとして調査すること。
• NGDのような単一材料系が、組成の変化なしに勾配を持つ熱伝導率を示せるかどうかを調査すること。
• 分子動力学シミュレーションを用いて、NGDの半径および温度に対する熱伝導率の依存関係を定量すること。
• ナノスケールエレクトロニクスデバイスのヒートスポットにおける効果的熱管理材料としてのNGDの実現可能性を評価すること。

提案手法

• 非平衡分子動力学（NEMD）シミュレーションを用いて、熱勾配下におけるNGDの熱伝導率を計算した。
• NGDの幾何形状は、回転対称性を持つ円形の単層グラフェンシートとしてモデル化された。
• 熱フラックスの測定および熱伝導率の計算のため、半径方向に温度勾配を印加した。
• シミュレーション結果の解釈および熱輸送の勾配的性質の妥当性を検証するために、解析的モデルが用いられた。
• 構造的および熱的依存性を評価するため、熱伝導率を半径および温度の関数として評価した。
• 物理的正確性を確保するため、正確な多体原子間ポテンシャルを用い、周期的境界条件の下でシステムをシミュレートした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 幾何学的およびフォノン的性質に起因して、単一材料のナノスケールグラフェンディスクが、機能的勾配を持つ熱伝導率を示せるか？
• RQ2 NGDの熱伝導率はその半径にどのように依存するか？
• RQ3 温度がNGDの半径方向熱伝導率プロファイルにどのように影響するか？
• RQ4 NGDは熱管理用途において、どの程度自然なFGMとして機能できるか？
• RQ5 フォノンの半径分布とNGDにおける熱輸送の関係は何か？

主な発見

• ナノスケールグラフェンディスク（NGD）は、半径方向に自然に勾配を持つ熱伝導率を示し、内在的機能的勾配材料（FGM）行動を示す。
• NGDの半径が大きくなるにつれて熱伝導率は低下し、半径が5 nmから20 nmに増加する際、顕著な低下が観察された。
• NGDの熱伝導率は温度上昇に伴い低下し、高エネルギーフォノン-フォノン散乱の増加と整合的である。
• 半径方向の熱伝導率プロファイルは非一様であり、中心付近で高い伝導率、縁付近で低い値を示し、FGMの挙動を模倣している。
• 自己勾配熱輸送特性のおかげで、NGDはナノスケールエレクトロニクスデバイスの熱管理に強く有望な可能性を示している。
• 曲がった単層グラフェン構造における幾何的閉じ込めとフォノン散乱が、組成勾配がなくとも効果的なFGM様の熱応答を生み出せることを本研究は確認した。