[論文レビュー] Thermal transport in van der Waals graphene/boron-nitride structure: a molecular dynamics study

M. Sadegh Alborzi, Ali Rajabpour|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2021

Graphene research and applications参考文献 43被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、TersoffおよびLennard-Jonesポテンシャルを用いた非平衡分子動力学（NEMD）を用いて、バイレイヤー・グラフェン/六方晶ボロンナイトライド（h-BN）およびグラフェン/h-BNのファンデルワールスヘテロ構造における熱伝導の挙動を調査した。系の長さに応じて熱伝導率が増加し、単層グラフェンやh-BNを上回る性能を示し、有効熱伝導率は361 W/mKに達した。これは単層グラフェン（321 W/mK）やh-BN（159 W/mK）を上回るが、バイレイヤー・グラフェン/h-BN（422 W/mK）には及ばない。

ABSTRACT

Among the van der Waals heterostructures, graphene/h-BN heterostructure is an appropriate candidate for 2D nanoelectronic devices. In this paper, using non-equilibrium molecular dynamics simulation approach, heat transport in bilayer graphene/h-BN and graphene/h-BN van der Waals heterostructure (i.e. h-BN flakes periodically inserted on the top and bottom of a graphene layer) are explored. The results show that by increasing the length of the system, the thermal conductivity of bilayer graphene/h-BN increases. Furthermore, it was revealed that heat transport in graphene/h-BN heterostructure enhances compared to that in monolayer graphene or monolayer h-BN. The size effect analysis shows that the heat fluxes passing through each layer in bilayer graphene/h-BN converges when the size of the system is larger than 100 nm. The results can improve the understanding heat transfer phenomena in the van der Waals heterostructures and improve designing of heterostructures for better thermal management and heat dissipation.

研究の動機と目的

• バイレイヤー・グラフェン/h-BNヘテロ構造における長さ依存性の熱伝導率を調査すること。
• 単層グラフェン、単層h-BN、およびバイレイヤー・グラフェン/h-BNと比較して、グラフェン/h-BNヘテロ構造における熱伝達を評価すること。
• 2次元ナノスケールでの熱管理におけるファンデルワールス結合および層構造の役割を評価すること。
• 2次元ナノエレクトロニクス素子における熱管理のための設計インサイトを提供すること。

提案手法

• 熱伝導率の計算には非平衡分子動力学（NEMD）シミュレーションが用いられた。
• グラフェンおよびh-BNの面内相互作用にはTersoffポテンシャルが適用され、層間のファンデルワールス力はLennard-Jonesポテンシャルでモデル化された。
• サイズ効果を調査するため、系の長さを変化させ、最大30 nmまでの長さが分析された。
• グラフェンとh-BN層間の熱移動を比較するために、2次元エネルギーフラックスプロファイルが用いられた。
• 有効熱伝導率は、直列熱抵抗モデルを用いて計算された。
• 熱抵抗モデルは、NEMDの結果と等価回路近似を比較することで検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 系の長さは、バイレイヤー・グラフェン/h-BNの熱伝導率にどのように影響するか？
• RQ2 バイレイヤー・グラフェン/h-BNにおいて、グラフェン層とh-BN層間の熱フラックス分布はどのように異なるか？
• RQ3 グラフェン/h-BNヘテロ構造の熱伝達は、単層グラフェンおよび単層h-BNと比べてどのように異なるか？
• RQ4 グラフェン/h-BNヘテロ構造の有効熱伝導率は何か？また、バイレイヤー・グラフェン/h-BNと比べてどうか？
• RQ5 ファンデルワールス結合は、ヘテロ構造における界面熱抵抗にどの程度寄与しているか？

主な発見

• バイレイヤー・グラフェン/h-BNの熱伝導率は、系の長さが増加するにつれて上昇し、100 nmを超える長さで収束する。
• 無限長におけるバイレイヤー構造の有効熱伝導率は、1111 ± 50 W/mKに達する。
• グラフェン/h-BNヘテロ構造では、有効熱伝導率が361 W/mKに達し、単層グラフェン（321 W/mK）および単層h-BN（159 W/mK）を上回る。
• グラフェン/h-BNヘテロ構造の熱伝導率は、バイレイヤー・グラフェン/h-BN（422 W/mK）より低いことから、連続的な層構造が熱伝達を向上させることを示している。
• 短い系長ではグラフェン層を通過する熱フラックスが支配的であるが、系のサイズが増加するにつれて、グラフェン層とh-BN層間の差が小さくなる。
• 層間相互作用の強度を低下させると、NEMD結果と等価熱回路モデルの結果との乖離が小さくなり、界面抵抗の役割が裏付けられた。