[論文レビュー] Temperature Dependence of Thermal Conductivity of Polycrystalline Graphene: Thermally Enhanced Kapitza Conductance

Young In Jhon, Myung S. Jhon|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2013

Thermal properties of materials参考文献 1被引用数 3

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多結晶グラフェンの温度依存熱伝導率を調査し、格子界面を貫くカピツァ熱伝導率が温度上昇に伴い増加することを明らかにした。これは、欠际のない領域の熱伝導率低下を相殺する要因となる。30 nm未塔の小粒状サイズでは、300 Kから500 Kにかけて全熱伝導率が安定または増加する傾向を示し、熱管理用途におけるナノ構造グラフェンの優れた熱的性能を示唆している。

ABSTRACT

Graphene has drawn wide attention due to its exceptional thermal conductivity but complete understanding of thermal characteristics of polycrystalline graphene is still elusive to date. For the first time, herein, we have systematically studied the effect of temperature on the thermal conductance behavior of polycrystalline graphene for a range of grain sizes and grain boundary types, by using non-equilibrium molecular dynamics simulations. It is noted that increasing the tempera-ture remarkably enhances thermal boundary conductance (Kapitza conductance) across grain boundaries while it deteriorates thermal conductivities of defect-free grain regions, regardless of grain sizes and grain boundary types. This enhancement effect becomes more important for smaller grain sizes and higher temperatures, whose normal adverse effects on the heat transfer are thus ideally counterbalanced, making total thermal conductivity rather robust against the temperature increment for sufficiently small grain sizes. Upon heating from 300 to 500 K, thermal conductivity of graphene with maximally tilted grain boundaries decreases only by 9 % for a grain size of 50 nm in contrast to the decrease of 28 % for 250 nm, and further, it even increases below 30 nm. We presented quantitative mapping of its (grain, grain boundaries, and total) thermal conductivi-ties in terms with grain sizes and temperatures, providing a guideline for graphene-based thermal engineering and suggesting novel defect-based thermal architectures as well.

研究の動機と目的

• 異なる粒径および格子界面種別の下での多結晶グラフェンにおける熱伝導率の温度依存性を理解すること。
• 熱伝導率に及ぼす温度の相反する影響を解消すること：完全な領域では熱伝導率が低下する一方、界面での熱伝導率は向上する。
• 全熱伝導率が温度上昇に伴い安定または向上する条件を同定すること。
• 粒界工学を用いたグラフェンベース熱的アーキテクチャの定量的設計フレームワークを提供すること。

提案手法

• 熱伝導率とカピツァ熱伝導率の挙動を評価するために、制御された粒径および界面種を有する多結晶グラフェンを対象に非平衡分子動力学（NEMD）シミュレーションを実施した。
• 300 Kから500 Kの温度範囲でシミュレーションを実施し、熱伝導率およびカピツァ熱伝導率の挙動を評価した。
• 最大傾斜境界を含む、格子界面種を体系的に変更し、熱伝導に与える影響を評価した。
• 個々の結晶粒、格子界面、および全系の熱伝導率を、粒径および温度の関数として計算・マッピングした。
• 格子領域内でのフォノン散乱と格子界面での界面伝導率の向上の間の競合関係に焦点を当てた。
• 熱工学的応用を支援するため、熱伝導率の定量的マッピングを生成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多結晶グラフェンにおける格子界面を貫くカピツァ熱伝導率は、温度上昇に伴いどのように変化するか？
• RQ2 温度上昇に伴う界面伝導率の向上は、欠际のない結晶粒領域の熱伝導率低下をどの程度相殺するか？
• RQ3 粒径および格子界面種は、全熱伝導率の網膜的温度依存性にどのように影響を及ぼすか？
• RQ4 特定のナノ構造的条件下で、多結晶グラフェンの熱伝導率が温度上昇に伴い安定または増加する可能性はあるか？
• RQ5 設計された格子界面を用いたグラフェンにおける耐久的熱的アーキテクチャを構築するにあたり、どのような設計原則が導かれるか？

主な発見

• 50 nmの粒径では、最大傾斜界面を有する多結晶グラフェンの熱伝導率は、300 Kから500 Kに温度上昇した際、わずか9%の低下にとどまった。
• 一方、250 nmの大きな粒径では、同じ温度範囲で28%の低下を示し、強い粒径依存性が確認された。
• 30 nm未塔の粒径では、300 Kから500 Kにかけて熱伝導率が実際に上昇しており、通常の温度上昇に伴う熱伝導率低下の傾向とは逆転している。
• 温度上昇に伴い格子界面におけるカピツァ熱伝導率の向上が、全熱伝導率の安定化に主たる要因であることが判明した。
• 本研究では、熱的に強化された界面伝導率が、特に小粒径系においてフォノン散乱を効果的に相殺できることを示した。
• 定量的マッピングにより、小粒径および設計された格子界面を有する多結晶グラフェンで最適な熱的性能が達成されることを明らかにした。