[論文レビュー] Transition of thermal rectification in silicon nanocones

Zhongwei Zhang, Yuanping Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2016

Thermal properties of materials被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、シリコンナノコーンにおける熱的整流が幾何的非対称性に伴い単調に増加するとされる従来の考えを挑戦する。非平衡分子動力学を用いて、頂点角が約90°で整流比（R）に急激な逆転が生じることを発見した。θ > 90°では局在化したフォノンモードが消失するため、Rが減少する。これは熱輸送メカニズムに根本的な転換が生じていることを示している。

ABSTRACT

Current understanding of thermal rectification asserts that the rectification ratio (R), which measures the relative heat flux between two ends of a nanostructure, is determined by its geometric asymmetry. The higher the asymmetry, the higher the R. However, by using nonequilibrium molecular dynamics method we have calculated thermal transport in Si nanocones as an example, the results show that such an understanding may be incorrect and R may not increase monotonically with geometric asymmetry. Rather, R exhibits a sharp reverse when the vertex angle (θ) of the nanocone is approximately 90°. In other words, when θ > 90°, R decreases, rather than increasing. We show that this abnormal behavior is originated from a change in the thermal transport mechanism. At small θs, phonon transport is dominated by localized modes, especially for transport from tip to bottom. At large θs, however, these localized modes disappear, leading to R decrease.

研究の動機と目的

• シリコンナノコーンにおける幾何的非対称性と熱的整流の関係を調査すること。
• より高い非対称性が常に高い整流比（R）をもたらすという一般的な仮定に疑問を呈すること。
• 異常な整流行動を引き起こす背後にある熱輸送メカニズムを特定すること。
• 局在化フォノンモードが方向性熱輸送が果たす役割を調査すること。
• 頂点角の関数としての熱的整流の臨界転移点を特定すること。

提案手法

• シリコンナノコーンにおける熱輸送を計算するために、非平衡分子動力学（NEMD）シミュレーションが用いられた。
• 整流比（R）は、前向きと逆向きの温度勾配における熱フラックスの比として計算された。
• 頂点角（θ）を系統的に変化させ、Rに与える影響を調査した。
• フォノンモード解析により、局在化モードの特定と熱輸送への寄与を評価した。
• 小角度（θ < 90°）と大角度（θ > 90°）における結果を比較することで、熱輸送メカニズムの転移を分析した。
• 正確な熱フラックス測定を保証するため、定常状態の熱的バイアス下でシミュレーションが実施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリコンナノコーンにおける幾何的非対称性が増加するにつれて、熱的整流比（R）は単調に増加するか？
• RQ2 頂点角が約90°で観察されたRの逆転は、何が原因か？
• RQ3 局在化フォノンモードは、ナノコーンの先端から基部への熱輸送にどのように寄与するか？
• RQ4 θ ≈ 90°における熱輸送メカニズムの変化の性質は何か？
• RQ5 フォノンモード構造の変化によって整流行動を説明できるか？

主な発見

• 整流比（R）は幾何的非対称性に伴い単調に増加しない。むしろ、頂点角（θ）が90°を超えると急激に減少する。
• θ < 90°では、熱輸送が局在化フォノンモードに支配され、特に先端から基部への方向で整流が強化される。
• θ > 90°では、これらの局在化モードが消失し、Rが低下し、デローカライズドフォノン輸送に移行する。
• θ ≈ 90°における転移は、熱輸送メカニズムに根本的な転換をもたらし、予想される非対称性と整流の相関関係を破壊する。
• 結果から、幾何的非対称性だけでは整流行動を予測できないことが示され、フォノンモード構造が重要な決定要因であることが明らかになった。
• 本研究は、ナノコーンにおける熱的整流が形状の非対称性によってのみ支配されているのではなく、局在化フォノンモードの有無にかかっていることを明らかにした。