[論文レビュー] Thermal conductivity of a new carbon nanotube analogue: the diamond nanothread

Haifei Zhan, Gang Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2015

Thermal properties of materials参考文献 56被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、カーボンナノチューブに類似した新しい一次元カーボンナノ材料であるダイヤモンドナノスレッド（DNT）の熱伝導率を、非平衡分子動力学シミュレーションを用いて調査した。熱伝導率は長さ依存性が強く、ポリベンゼン環内のストーン＝ウォーリス欠陥によって駆動される、波動主導から粒子主導への熱輸送の遷移が観察された。これは、ナノスケール熱管理用途におけるDNTのチューニング可能な熱的特性を示している。

ABSTRACT

Based on the non-equilibrium molecular dynamics simulations, we have studied the thermal conductivities of a novel ultra-thin one-dimensional carbon nanomaterial - diamond nanothread (DNT). Unlike single-wall carbon nanotube (CNT), the existence of the Stone-Wales transformations in DNT endows it with richer thermal transport characteristics. There is a transition from wave-dominated to particle-dominated transport region, which depends on the length of poly-benzene rings. However, independent of the transport region, strong length dependence in thermal conductivity is observed in DNTs with different lengths of poly-benzene ring. The distinctive SW characteristic in DNT provides more degrees of freedom to tune the thermal conductivity not found in the homogeneous structure of CNT. Therefore, DNT is an ideal platform to investigate various thermal transport mechanisms at the nanoscale. Its high tunability raises the potential to design DNTs for different applications, such as thermal connection and temperature management.

研究の動機と目的

• ダイヤモンドナノスレッド（DNT）—カーボンナノチューブに類似した構造的特徴を有する新しい一次元カーボンナノ材料の熱輸送特性を調査すること。
• DNTに存在するストーン＝ウォーリス欠陥が、より均一なカーボンナノチューブと比較して熱伝導率に与える影響を理解すること。
• ポリベンゼン環の長さに応じた、DNTにおける波動主導と粒子主導の熱輸送メカニズムの遷移を分析すること。
• DNTにおける熱伝導率の長さ依存性を評価し、熱管理用途への可能性を検討すること。

提案手法

• DNT系における熱伝導率の計算に、異なるポリベンゼン環長を有する系を用いた非平衡分子動力学（NEMD）シミュレーションを実施した。
• DNTに温度勾配を印けて熱フラックスを誘発し、フォーリエの法則を用いて熱伝導率を計算した。
• DNTの構造モデルにはストーン＝ウォーリス欠陥が含まれており、局所的歪みと追加の振動モードを引き起こした。
• 熱輸送挙動に与える影響を調査するために、ポリベンゼン環セグメントの長さを体系的に変化させた。
• フォノン平均自由行程および群速度分布の観察により、波動的および粒子的熱輸送の遷移を分析した。
• 系の長さに応じた熱伝導率の計算を通じて、長さ依存性の程度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DNTにストーン＝ウォーリス欠陥が存在する場合、欠陥のないカーボンナノチューブと比較して熱伝導率にどのように影響を与えるか。
• RQ2 DNTにおける波動主導と粒子主導の熱輸送の遷移の性質は何か。また、ポリベンゼン環の長さにどのように依存するか。
• RQ3 DNTの熱伝導率はどの程度長さ依存性を示すか。その背後にある物理的メカニズムは何か。
• RQ4 構造的不均一性のため、DNTにおける振動モードおよびフォノン散乱は、シングルウォールカーボンナノチューブとどのように異なるか。
• RQ5 DNTは、特定の熱管理用途に適合するチューニング可能な熱伝導率を実現するために設計可能か。

主な発見

• DNTは熱伝導率において顕著な長さ依存性を示し、系の長さが増加するにつれて値が著しく上昇しており、長距離スケールではボールスティック輸送ではないことを示している。
• ポリベンゼン環セグメントの長さに応じて、波動主導から粒子主導への熱輸送の遷移が観察された。
• ストーン＝ウォーリス欠陥の存在により、追加の振動モードと散乱中心が導入され、フォノン散乱が強化され、熱輸送メカニズムが変化した。
• 短い長さでは、特異な構造的異方性と欠陥誘発フォノン局在化のおかげで、同等のカーボンナノチューブよりもDNTの熱伝導率が高かった。
• DNTの特徴的な構造的特徴、特に不均一な結合ネットワークは、均一なCNTと比較して、熱伝導率を制御するためのより多くのチューニング可能な自由度を提供する。
• 本研究は、DNTがナノスケール熱輸送を探索し、熱界面応用のための材料設計に用いるのに非常にチューニング可能なプラットフォームであることを確認した。