[논문 리뷰] Further improvement of lattice thermal conductivity from bulk crystalline to 1-D-chain polyethylene: A high-yet-finite thermal conductivity using first-principles calculation

Xinjiang Wang, Massoud Kaviany외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 10.

Thermal properties of materials참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 처음부터 시작하는 비조화 격자 역학을 사용하여 단일 체인 폴리에틸렌이 상온에서 매우 높지만 유한한 격자 열전도도 1400 W/m·K를 나타내며, 이는 상호쇄인 반데르발스 상호작용 감소와 진동자기의 산란 가능성을 줄여서 발생한다. 이 유한한 값은 저주파수 굽힘 및 비틀림 진동 모드에서 강한 비조화 산란으로 인해 발생하며, 이는 정상적인 가로 진동자기의 기여가 매우 미미한 것으로 나타났다.

ABSTRACT

We calculate the thermal conductivity (\k{appa}) of both bulk crystalline and single-chain polyethylene (PE) using the first-principles-based anharmonic lattice dynamics. Despite its low \k{appa} in amorphous state, the predicted bulk crystal has high axial \k{appa} (237 W/m-K) at room temperature. The much lower measured \k{appa} is attributed to the small size of nanocrystallites (~10 nm) in synthesized semi-crystalline PE. For the 1-D chain, the predicted \k{appa} is much larger and yet finite (1400 W/m-K at room temperature). The reduction of scattering phase space caused by the diminished interchain van der Waals interactions explains this larger \k{appa}. It is also found that the transverse phonon branches with quadratic dispersion make minor contribution to this, due to their vanishing group velocity in the long-wavelength limit. Moreover, the low-frequency bending and twisting phonon modes are strongly coupled and dominate anharmonic phonon scatterings, leading to the finite \k{appa}. The predicted high \k{appa} of bulk and chain PE crystals enable polymer usage in thermal management and the above phonon scatterings provide guide for their nano-designs.

연구 동기 및 목표

• 고체 결정성 폴리에틸렌과 1차원 체인 구조에서의 격자 열전도도를 조사하기 위해.
• 1차원 폴리에틸렌 체인에서 높지만 유한한 열전도도의 기원을 이해하기 위해.
• 열전도도 특성을 결정짓는 진동자기 분포 및 비조화 산란 메커니즘의 역할을 규명하기 위해.
• 나노구조화를 통한 고분자 기반 열관리 재료 설계 원칙을 제공하기 위해.

제안 방법

• 밀도함수이론(DFT)에 기반한 초원리 계산을 통해 진동자기 분포 및 비조화 힘 상수를 계산하였다.
• 비조화 격자 역학을 사용하여 진동자기의 봄올트만 운동방정식을 통한 격자 열전도도를 계산하였다.
• 고체 결정성 폴리에틸렌과 고립된 1차원 폴리에틸렌 체인 간의 열전도도를 비교하였다.
• 다양한 진동 모드의 기여를 평가하기 위해 진동자기 군속도와 산란률을 분석하였다.
• 체인 간 반데르발스 상호작용의 역할을 고체 상태와 고립된 체인 간의 상호작용 강도 비교를 통해 정량화하였다.
• 저주파수 굽힘 및 비틀림 모드의 비조화 결합과 산란 효과를 조사하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고립된 1차원 폴리에틸렌 체인의 격자 열전도도는 고체 결정성 폴리에틸렌과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ2 차원이 감소했음에도 불구하고 1차원 체인이 더 높은 열전도도를 보이는 이유는 무엇인가?
• RQ3 체인 간 반데르발스 상호작용은 진동자기 산란과 열전도도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이차형 분포를 가진 가로 진동자기 모드가 열전도에 기여하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 저주파수 굽힘 및 비틀림 모드에서의 비조화 결합은 열전도도를 제한하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 실온에서 예측된 고체 결정성 폴리에틸렌의 격자 열전도도는 237 W/m·K이며, 실험적으로 측정된 값보다 현저히 높다.
• 실험적으로 측정된 낮은 값은 실제 준결정성 샘플에 약 10 nm 크기의 미세 나노결정립 존재로 인한 것으로 기인한다.
• 1차원 폴리에틸렌 체인은 실온에서 열전도도가 1400 W/m·K로 나타나, 고체 형태보다 크게 향상되었다.
• 1차원 체인에서의 열전도도 향상은 체인 간 반데르발스 상호작용 감소로 인해 진동자기 산란 가능성이 줄어들었기 때문이다.
• 이차형 분포를 가진 가로 진동자기 모드는 장파장 근처에서 군속도가 사라지므로 기여가 미미하다.
• 저주파수 굽힘 및 비틀림 모드에서 강한 비조화 결합이 진동자기 산란을 주도하여, 높지만 유한한 열전도도를 초래한다.