[논문 리뷰] First principles investigation of high thermal conductivity in hexagonal germanium carbide(2H-GeC)

Rajmohan Muthaiah, Jivtesh Garg|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 08.

Thermal properties of materials인용 수 5

한 줄 요약

이 첫 번째 원리 연구는 마이크로/나노전자소자용 고열전도성 물질로써 헥사고날 게르마늄 카바이드(2H-GeC)를 조사한다. 밀도함수이론과 볼츠만 운동량 이론 계산을 통해 300 K에서 2H-GeC의 열전도도는 a축 방향으로 1350 Wm⁻¹K⁻¹, c축 방향으로 1050 Wm⁻¹K⁻¹로 보고되었으며, 이는 2H-SiC보다 130% 높고, 입방형 GeC와 유사하여 나노스케일 장치의 열관리에 매우 유망하다.

ABSTRACT

Designing and searching for a high thermal conductivity material in both bulk and nanoscale is highly demanding for electronics cooling. In this work, we studied the thermal conductivity of 2H-Germanium Carbide(2H-GeC) using first principles calculations. At 300 K, we are reporting a high thermal conductivity of 1350 Wm-1K-1 and 1050 Wm-1K-1 along a-axis and c-axis respectively for pure 2H-GeC. These values are 130% higher than the thermal conductivity of 2H-silicon carbide and 20% lower than cubic germanium carbide(c-GeC). We analyzed the phonon group velocities, phonon scattering rates and mode contribution from acoustic and optical phonons. We also studied the thermal conductivity of nanostructured 2H-GeC for heat dissipation in nanoelectronics. At room temperature, thermal conductivity of 2H-GeC is ~65 Wm-1K-1 at nanometer length scales(L) of 100 nm is equal to that of the c-GeC. This result suggests that, 2H- GeC will be a promising material for thermal management applications in micro/nano electronics.

연구 동기 및 목표

• 다음 세대 마이크로/나노전자소자용 고열전도성 물질로 2H-GeC를 식별하고 평가하기.
• 2H-GeC에서 고열전도도를 유도하는 격자진동(phonon) 운반 메커니즘을 이해하기.
• 실제 장치 통합을 위한 실온에서 나노구조 2H-GeC의 열성능을 평가하기.
• 기준 비교를 위해 2H-SiC 및 입방형 GeC(c-GeC)와의 열전도도를 비교하기.
• 크기 의존성 열전도도 분석을 통해 2H-GeC의 나노스케일 열관리 응용 잠재성 탐색하기.

제안 방법

• 2H-GeC의 전자 구조와 원자 간 힘을 계산하기 위해 밀도함수이론(DFT)을 적용하였다.
• 조화 및 비조화 힘 상수를 사용하여 격자진동 분산관계 및 군속도를 계산하였다.
• 이완시간 근사법을 적용한 볼츠만 운동량 이론 방정식(BTE)을 사용하여 열전도도를 계산하였다.
• 격자진동 산란율과 음향파 및 온도파 모드의 기여도를 분석하였다.
• 나노스케일 구속 조건을 고려하여 2H-GeC의 크기 의존성 열전도도를 카시미르 한계를 이용해 시뮬레이션하였다.
• 2H-SiC 및 c-GeC와 같은 알려진 물질과의 비교를 통해 결과의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실온에서 2H-GeC의 a축 및 c축 방향으로 고유한 열전도도는 얼마인가?
• RQ2 격자진동 군속도와 산란율은 2H-GeC의 열전도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 음향파 및 온도파 모드가 총 열전도도에 기여하는 비율은 어떻게 되는가?
• RQ4 나노구조에서 길이 척도가 감소함에 따라 2H-GeC의 열전도도는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 동일 조건에서 2H-GeC의 열전도도는 2H-SiC 및 c-GeC와 비교해 어떻게 되는가?

주요 결과

• 300 K에서 2H-GeC는 a축 방향으로 1350 Wm⁻¹K⁻¹, c축 방향으로 1050 Wm⁻¹K⁻¹의 열전도도를 나타낸다.
• 2H-GeC의 열전도도는 2H-SiC보다 130% 높아 열전도 성능이 뛰어나다는 것을 시사한다.
• 100 nm의 나노스케일 치수에서 2H-GeC의 열전도도는 약 65 Wm⁻¹K⁻¹로, 입방형 GeC(c-GeC)와 유사하다.
• 높은 격자진동 군속도와 낮은 산란율이 2H-GeC의 고열전도도에 크게 기여한다.
• 음향파 모드가 열전도를 주로 담당하지만, 유리한 분산 특성과 결합으로 인해 온도파 모드의 기여도도 상당하다.
• 나노스케일 치수에서도 높은 열전도도를 유지하므로, 나노전자소자 열관리에 매우 높은 잠재력을 지닌다.