[논문 리뷰] Direction dependent thermal conductivity of monolayer phosphorene: parameterization of Stillinger-Weber potential and molecular dynamics study

Wen Xu, Liyan Zhu외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 26.

Thermal properties of materials참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 평형 분자 동역학 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해 단층 키토산 인듐에 대해 매개변수화된 Stillinger-Weber 상호작용 포텐셜을 개발하여, 계단형 방향에서 152.7 W/mK, 아치형 방향에서 33.0 W/mK로 방향에 따라 강한 의존성을 보이는 열전도도를 규명하였다. 이는 5배의 이방성 비율을 나타낸다. 이 이방성은 주로 군속도의 차이로 인해 발생하며, 효과적 열파동 평균 자유경로는 계단형 방향에서 141.4 nm, 아치형 방향에서 43.4 nm이다.

ABSTRACT

A Stillinger-Weber interatomic potential is parameterized for phosphorene. It well reproduces the crystal structure, cohesive energy and phonon dispersion predicted by first-principles calculations. The thermal conductivity of phosphorene is further explored by equilibrium molecular dynamics simulations adopting the optimal set of potential parameters. At room temperature, the intrinsic thermal conductivities along zigzag and armchair directions are about 152.7 and 33.0 W/mK, respectively, with a large anisotropy ratio of five. The remarkably directional dependence of thermal conductivity in phosphorene, consistent with previous reports, is mainly due to the strong anisotropy of phonon group velocities, and weak anisotropy of phonon lifetimes as revealed by lattice dynamics calculations. Moreover, the effective phonon mean free paths at zigzag and armchair directions are about 141.4 and 43.4nm, respectively.

연구 동기 및 목표

• 단층 키토산 인듐의 구조적 및 에너티크 성질을 정확히 반영하는 이동성 있는 Stillinger-Weber 원자 간 상호작용 포텐셜을 개발하는 것.
• 평형 분자 동역학 시뮬레이션을 사용하여 키토산 인듐의 본질적 열전도도를 조사하는 것.
• 열전도도의 강한 이방성의 기원을 열파동 군속도 및 수명을 분석하여 이해하는 것.
• 키토산 인듐의 다양한 결정학적 방향에서의 효과적 열파동 평균 자유경로를 정량화하는 것.

제안 방법

• 기본 원자 계산 데이터를 사용하여 Stillinger-Weber 포텐셜을 매개변수화하였으며, 이는 격자 상수, 응집 에너지 및 열파동 분산 관계를 포함한다.
• 실온에서 최적화된 포텐셜 매개변수를 사용하여 평형 분자 동역학 시뮬레이션을 수행하여 열전도도를 계산하였다.
• 격자 역학 계산을 통해 계단형 및 아치형 방향에서의 열파동 군속도 및 수명을 분석하였다.
• 열전도도는 열전류 자기상관 함수에 적용된 Green-Kubo 형식을 사용하여 계산하였다.
• 효과적 열파동 평균 자유경로는 열전도도를 특정 열용량, 군속도 및 열파동 상태 밀도의 곱으로 나누어 추정하였다.
• 결과는 포텐셜의 예측치를 구조적 및 진동 성질에 대한 기본 원자 계산 결과와 비교하여 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실온에서 단층 키토산 인듐의 계단형 및 아치형 결정학적 방향에서의 열전도도는 얼마인가?
• RQ2 왜 키토산 인듐은 열전도도 성질에서 이렇게 강한 이방성을 나타내는가?
• RQ3 열파동 군속도 및 수명은 키토산 인듐에서 방향 의존성 열전도도에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 키토산 인📐에서 계단형 및 아치형 방향의 효과적 열파동 평균 자유경로는 각각 얼마인가?
• RQ5 Stillinger-Weber 포텐셜이 키토산 인듐의 열 및 진동 성질에 대해 기본 원자 계산 결과를 재현할 수 있도록 정확하게 매개변수화될 수 있는가?

주요 결과

• 실온에서 단층 키토산 인듐의 열전도도는 계단형 방향에서 152.7 W/mK, 아치형 방향에서 33.0 W/mK이다.
• 계단형 및 아치형 방향 간 열전도도의 이방성 비율은 약 5배이다.
• 강한 이방성은 주로 열파동 군속도의 큰 차이로 인해 발생하며, 열파동 수명은 약한 이방성을 보인다.
• 효과적 열파동 평균 자유경로는 계단형 방향에서 141.4 nm, 아치형 방향에서 43.4 nm이다.
• 매개변수화된 Stillinger-Weber 포텐셜은 기본 원자 계산에서의 결정 구조, 응집 에너지 및 열파동 분산을 정확히 재현한다.
• 이 연구는 열파동 군속도의 이방성이 열전도도 이방성의 총합에 영향을 미치는 데서 수명의 이방성보다 지배적임을 확인하였다.