[論文レビュー] Thermal Conductivity of Suspended Graphene with Defects

Hoda Malekpour, Pankaj Ramnani+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2016

Thermal properties of materials被引用数 103

ひとこと要約

本研究は、低エネルギー電子照射によって suspended graphene に制御欠陥を導入することで熱伝導率を低下させ、高欠陥密度で飽和挙動を示すことを明らかにし、ボルツマン輸送と分子動力学シミュレーションでモデル化する。

ABSTRACT

We investigate the thermal conductivity of suspended graphene as a function of the density of defects, ND, introduced in a controllable way. Graphene layers are synthesized using chemical vapor deposition, transferred onto a transmission electron microscopy grid, and suspended over ~7.5-micrometer size square holes. Defects are induced by irradiation of graphene with the low-energy electron beam (20 keV) and quantified by the Raman D-to-G peak intensity ratio. As the defect density changes from 2.0x10^10 cm-2 to 1.8x10^11 cm-2 the thermal conductivity decreases from ~(1.8+/-0.2)x10^3 W/mK to ~(4.0+/-0.2)x10^2 W/mK near room temperature. At higher defect densities, the thermal conductivity reveals an intriguing saturation behavior at a relatively high value of ~400 W/mK. The thermal conductivity dependence on defect density is analyzed using the Boltzmann transport equation and molecular dynamics simulations. The results are important for understanding phonon - point defect scattering in two-dimensional systems and for practical applications of graphene in thermal management.

研究の動機と目的

• 室温における suspended graphene の熱伝導率に対する欠陥密度 ND の影響を理解する。
• 照射誘発欠除とフォノン輸送の関係を定量化する。
• 実験結果と理論モデルおよび分子動力学シミュレーションを比較する。

提案手法

• CVD成長で suspended graphene を作製し、約7.5 µm の穴を有する TEM グリッドへ転写する。
• 20 keV の低エネルギー電子照射によって欠陥を導入し、Raman D/G 強度比で定量する。
• 室温で欠陥密度の函数として熱伝導率を測定する。
• Boltzmann輸送方程式で ND 依存性を分析し、分子動力学シミュレーションで裏付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温で defect density ND は suspended graphene の熱伝導率にどう影響するのか？
• RQ2 欠陥があるグラフェンにおける ND と κ の関数関係は何か？
• RQ3 Boltzmann輸送方程式の解析とMDシミュレーションは 2D グラフェンにおけるフォノン–欠除散乱効果について一致するか？

主な発見

• 欠陥密度が2.0×10^10 cm^-2 から1.8×10^11 cm^-2へ増加するにつれて熱伝導率は概算 (1.8±0.2)×10^3 W/mK から (4.0±0.2)×10^2 W/mKへ減少する。
• より高い欠陥密度では κ は約400 W/mK 付近で飽和を示す。
• この結果は二维系におけるフォノン–点欠降散乱の役割を強調し、グラフェンベースの熱管理に示唆を与える。
• Boltzmann輸送方程式の解析と分子動力学シミュレーションによって裏付けられている。