[論文レビュー] Towards intrinsic phonon transport in single-layer MoS2: the diffusive limit of thermal conductivity

Bo Peng, Hao Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2015

Thermal properties of materials被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、第一原理計算とフォノンのボルツマン輸送方程式を用いて、単層モリブデンジチエン化タングステン（MoS₂）の内在的格子熱伝導率を調査する。音響フォノンが熱輸送を支配しており、熱伝導率は拡산極限に近づき、実験測定値と強く一致しており、サイズ依存性の挙動が顕著に現れている。

ABSTRACT

The intrinsic lattice thermal conductivity of MoS$_2$ is an important aspect in the design of MoS$_2$-based nanoelectronic devices. We investigate the lattice dynamics properties of MoS$_2$ by first principles calculations. The intrinsic thermal conductivity of single-layer MoS$_2$ is calculated using the Boltzmann transport equation for phonons. The obtained thermal conductivity agrees well with the measurements. The contributions of acoustic and optical phonons to the lattice thermal conductivity are evaluated. The size dependence of thermal conductivity is investigated as well.

研究の動機と目的

• ナノエレクトロニクスデバイス設計のための重要なパrameterである、単層MoS₂の内在的格子熱伝導率を理解すること。
• 音響フォノンと光学フォノンの両者が熱伝導率に与える相対的寄与を特定すること。
• 単層MoS₂における熱伝導率のサイズ依存性を調査すること。
• 第一原理フォノンダイナミクスを用いて、理論的予測を実験測定値と照合すること。

提案手法

• 単層MoS₂におけるフォノン分散およびフォノン-フォノン散乱率を第一原理計算で決定する。
• フォノンのボルツマン輸送方程式を用いて格子熱伝導率を計算する。
• フォノン分岐（音響型対光学型）ごとの熱伝導率寄与を分解し、支配的メカニズムを特定する。
• シミュレーションにおける系の寸法を変化させることで、熱伝導率のサイズ依存性を分析する。
• 理論的結果を入手可能な実験的熱伝導率測定値と照合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単層MoS₂の内在的格子熱伝導率は何か？ また、実験測定値と比較してどうなるか？
• RQ2 単層MoS₂における熱輸送に寄与する主なフォノンモードは、音響型か光学型か？ どちらが顕著に寄与しているか？
• RQ3 単層MoS₂の熱伝導率は、系のサイズにどのように依存するか？
• RQ4 欠际や界面が存在しない状況で、系はどの程度まで拡散極限の熱伝導率に近づくか？

主な発見

• 計算された単層MoS₂の内在的格子熱伝導率は、実験的測定値と非常に良好に一致している。
• 音響フォノンが格子熱伝導率の主な寄与者であり、光学フォノンの寄与を著しく上回っている。
• 熱伝導率は強いサイズ依存性を示しており、拡散輸送領域と整合的である。
• 系は熱伝導率の拡散極限に近づき、計算されたサイズ範囲内ではフォノン-フォノン散乱が境界散乱を上回ることが示唆されている。
• 理論的枠組みは、経験的フィッティングに依存せずに、内在的熱輸送挙動を的確に捉えている。