[論文レビュー] Thermal conductivity of graphene kirigami: ultralow and strain robustness

Ning Wei, Yang Chen+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2015

Graphene research and applications参考文献 1被引用数 4

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、グラフェンキリガミ（GNR-k）が、純粋なグラフェンナノリブン（~151.6 Wm⁻¹K⁻¹）と比較して、2桁低下した超低熱伝導率（約5.1 Wm⁻¹K⁻¹）を示すことを示した。主な要因は、延長された熱フラックス経路、有効熱伝達面積の過大評価、および端部欠陥におけるフォノン散乱である。また、構造は変形下でも熱伝導率を低く維持する応力耐性を示し、ナノスケール熱管理および熱電気的応用に有用である可能性を示唆している。

ABSTRACT

Kirigami structure, from the macro- to the nanoscale, exhibits distinct and tunable properties from original 2-dimensional sheet by tailoring. In present work, the extreme reduction of the thermal conductivity by tailoring sizes in graphene nanoribbon kirigami (GNR-k) is demonstrated using nonequilibrium molecular dynamics simulations. The results show that the thermal conductivity of GNR-k (around 5.1 Wm-1K-1) is about two orders of magnitude lower than that of the pristine graphene nanoribbon (GNR) (around 151.6 Wm-1K-1), while the minimum value is expected to be approaching zero in extreme case from our theoretical model. To explore the origin of the reduction of the thermal conductivity, the micro-heat flux on each atoms of GNR-k has been further studied. The results attribute the reduction of the thermal conductivity to three main sources as: the elongation of real heat flux path, the overestimation of real heat flux area and the phonon scattering at the vacancy of the edge. Moreover, the strain engineering effect on the thermal conductivity of GNR-k and a thermal robustness property has been investigated. Our results provide physical insights into the origins of the ultralow and robust thermal conductivity of GNR-k, which also suggests that the GNR-k can be used for nanaoscale heat management and thermoelectric application.

研究の動機と目的

• グラフェンナノリブンキリガミ（GNR-k）構造の熱輸送特性を調査すること。
• 純粋なグラフェンナノリブンと比較して、GNR-kにおける熱伝導率の著しい低下の物理的起源を理解すること。
• GNR-kにおけるひずみ工学の熱伝導率への影響を評価すること。
• GNR-kがナノスケール熱管理および熱電気的応用にどのように有用であるかを検討すること。

提案手法

• GNR-k構造の熱伝導率を計算するために、非平衡分子動力学（NEMD）シミュレーションが用いられた。
• 各原子におけるマイクロスケールの熱フラックスを分析し、局所的な熱輸送挙動を特定した。
• リブンサイズ、エッジ欠陥密度、幾何形状などの構造的パラメータを系統的に変化させ、それらの影響を調査した。
• 極端な場合に熱伝導率がゼロに近づくことを予測する理論モデルが構築された。
• GNR-kにひずみを印加し、熱伝導率および耐性への影響を評価した。
• エッジ欠陥におけるフォノン散乱メカニズムを評価し、熱輸送の低下を説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンキリガミは、純粋なグラフェンナノリブンと比較して、どの程度熱伝導率が低下するか？
• RQ2 GNR-kにおける熱伝導率の低下を引き起こす主な物理的メカニズムは何か？
• RQ3 機械的ひずみはGNR-k構造の熱伝導率にどのように影響するか？
• RQ4 GNR-kは機械的変形下でも超低熱伝導率を維持できるか、すなわち応力耐性を示すか？
• RQ5 GNR-kにおける熱伝導率の理論的限界は何か？また、構造的設計に応じてどのようにスケーリングするか？

主な発見

• GNR-kの熱伝導率は約5.1 Wm⁻¹K⁻¹にまで低下し、純粋なグラフェンナノリブン（~151.6 Wm⁻¹K⁻¹）と比較して2桁低下した。
• 理論的モデルによると、GNR-kの最小熱伝導率は、極端な構造的チューニングの下でゼロに近づくと予測された。
• 熱伝導率低下の主な要因は3つである：延長された実際の熱フラックス経路、過大評価された有効熱フラックス面積、およびエッジ欠陥におけるフォノン散乱。
• GNR-kは応力耐性を示し、応用ひずみ下でも超低熱伝導率を維持しており、柔軟な熱管理応用において安定であることが示唆された。
• 本研究では、エッジ工学と構造的デザインが2次元材料におけるチューナブルで超低熱伝導率を実現する有効な戦略であると特定された。
• 結果から、GNR-kはナノスケール熱電気素子および熱管理システムの有望な候補であると示唆された。