[論文レビュー] Temperature dependence of electrical and thermal conduction in single silver nanowire

Zhe Cheng, Longju Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2014

Nanomaterials and Printing Technologies参考文献 30被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、35 K まで冷却した状態でステディステート電熱法を用いて、個々の銀ナノワイヤーにおける温度依存性電気的および熱的輸送を調査した。電気的抵抗率はバルク銀と比較して4倍に増加し、熱伝導率は55%低下した。Debye 温度は151 K と36%低く、強いフォノン軟化を示唆している。一方、大きな残留熱抵抗は、結晶粒界における電子散乱が支配的であることを示している。

ABSTRACT

Silver nanowires have great application potential in fields like flexible electronic devices, solar cells and transparent electrodes. It is critical and fundamental to study the thermal and electrical transport properties in a single silver nanowire. In this work, the thermal and electrical transport in an individual silver nanowire is characterized down to 35 K with the steady state electro-thermal technique. The results indicate that, at room temperature, the electrical resistivity increases by around 4 folds compared from that of its bulk counterpart. After fitting the temperature dependent electrical resistivity curves with the Bloch-Grüneisen formula, the Debye temperature (151 K) of the silver nanowire is found 36% lower than that (235 K) of bulk silver, confirming strong phonon softening. The thermal conductivity is reduced by 55% compared with that of its bulk counterpart at room temperature and this reduction becomes larger as the temperature goes down. To explain the opposite trends of thermal conductivity (\k{appa}) ~ temperature (T) of silver nanowire and bulk silver, a unified thermal resistivity is used to elucidate the electron scattering mechanism. A large residual unified thermal resistivity for the silver nanowire is observed while that of the bulk silver is almost zero. The same trend of variation against T indicates that the silver nanowire and bulk silver share the same phonon-electron scattering mechanism. Additionally, due to phonon-assisted electron energy transfer across the grain boundaries, the Lorenz number of the silver nanowire is found much larger than that of bulk silver and decreases with decreasing temperature.

研究の動機と目的

• 低温における個々の銀ナノワイヤーの基本的熱的および電気的輸送特性を理解すること。
• 電気的抵抗率および熱伝導率におけるバルク銀との偏差を定量すること。
• ナノワイヤーにおける輸送特性の低下に寄与する散乱メカニズムを同定すること。
• 結晶粒界およびフォノン-電子相互作用が熱的および電気的輸送をどのように変化させるかを調査すること。

提案手法

• 35 K から室温までの温度範囲で、1本の銀ナノワイヤーにおける電気的および熱的輸送をステディステート電熱法で測定した。
• 温度依存性電気的抵抗率データをBloch-Grüneisen式にフィットさせ、Debye 温度を抽出した。
• 印加電流下での電圧勾配および温度勾配を測定し、熱伝導率を計算した。
• 統一された熱抵抗率モデルを用いて、ナノワイヤーとバルク銀との間での電子散乱寄与を比較した。
• 電子-フォノン結合およびエネルギー移動効率を評価するために、Lorenz 数を分析した。
• 結果をバルク銀と比較することで、寸法および微細構造の影響を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 個々の銀ナノワイヤーの電気的抵抗率は温度にどのように依存し、バルク銀とどのように異なるか？
• RQ2 銀ナノワイヤーにおける熱伝導率の低下の原因は何か、バルク銀と比較して？
• RQ3 銀ナノワイヤーのDebye 温度はバルク銀と比較してどの程度異なるか、フォノン軟化について何を示唆するか？
• RQ4 結晶粒界はナノワイヤーにおける電子散乱および熱抵抗率にどのような役割を果たすか？
• RQ5 銀ナノワイヤーにおけるLorenz 数はWiedemann-Franzの法則からどの程度逸脱し、温度依存性はどのように変化するか？

主な発見

• 室温における銀ナノワイヤーの電気的抵抗率は、バルク銀と比較して約4倍に増加した。
• 銀ナノワイヤーのDebye 温度は151 K であり、バルク銀の235 K と比較して36%低い。これは顕著なフォノン軟化を示唆している。
• 室温におけるナノワイヤーの熱伝導率は、バルク銀と比較して55%低下しており、低温域でその低下がさらに顕著になった。
• ナノワイヤーには大きな残留統一熱抵抗率が観察されたが、バルク銀ではほぼゼロであった。これは結晶粒界における強い電子散乱を示している。
• ナノワイヤーにおけるLorenz 数はバルク銀よりも顕著に高く、温度が低下するにつれて減少した。これは結晶粒界を越えるフォノン支援型の電子エネルギー移動を示唆している。
• ナノワイヤーとバルク銀の熱伝導率における逆転した温度依存性は、統一熱抵抗率モデルによって説明され、共通のフォノン-電子散乱メカニズムが確認された。