[논문 리뷰] Molecular Dynamics Simulations for Anisotropic Thermal Conductivity of Borophene

Yue Jia, Chun Li외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 31.

Thermal properties of materials참고 문헌 16인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 M{"u}ller-Plathe 방법을 사용한 역방향 비평형 분자역학(RNEMD)을 활용하여 보로페인 나노리본(BNR)과 나노튜브(BNT)의 열전도도를 계산하며, 서로 다른 방향 간에 강한 이방성을 확인하였다: 절단 방향 열전도도가 아치 방향 열전도도보다 현저히 높았다. 결과적으로 열전도도는 너비, 둘레, 축방향 인장에 대해 민감하지 않지만, 구조에 따라 크게 달라지며, BNT는 BNR보다 열전도도가 낮음을 보였다.

ABSTRACT

The present work carries out molecular dynamics simulations to compute the thermal conductivity of the borophene nanoribbon and the borophene nanotube using the Muller-Plathe approach. We investigate the thermal conductivity of the armchair and zigzag borophenes, and show the strong anisotropic thermal conductivity property of borophene. We compare the results of the borophene nanoribbon and the borophene nanotube, and find the thermal conductivity of the borophene is structure dependent.

연구 동기 및 목표

• 분자역학 시뮬레이션을 이용하여 보로페인의 이방성 열전도도를 조사하기 위해.
• 보로페인 나노리본(BNR)과 나노튜브(BNT) 간의 열전도성 특성을 비교하기 위해.
• 너비, 둘레, 적용된 인장과 같은 구조적 매개변수의 열전도도에 미치는 영향을 검토하기 위해.
• 보로페인의 열전도도가 구조에 의존하는지, 그리고 인장에 민감하지 않은지 확인하기 위해.

제안 방법

• 보로페인 내 붕소-붕소 상호작용을 모델링하기 위해 Stillinger-Weber(SW) 포텐셜을 사용하였다.
• 열전도도를 계산하기 위해 M{"u}ller-Plathe 알고리즘을 통한 역방향 비평형 분자역학(RNEMD) 방법을 적용하였다.
• 안정된 열류를 확립하기 위해 매 5 fs 간격으로 속도를 교환하는 NVE 캐나다를 사용하였다.
• 열류 방향에 따라 시스템을 50개의 슬래브로 나누어 온도 기울기를 계산하였다.
• 800만 단계 동안 매 0.5 fs 간격으로 온도 데이터를 수집하였으며, 300,000단계 동안 평형화를 수행하였다.
• 다양한 너비, 둘레 및 적용된 인장을 가진 아치형과 절단형 BNR 및 BNT를 시뮬레이션하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보로페인 나노리본의 아치형 및 절단형에서의 열전도도는 얼마인가?
• RQ2 보로페인 나노튜브의 열전도도는 나노리본과 비교하여 어떻게 되는가?
• RQ3 보로페인의 열전도도는 너비 또는 둘레에 따라 달라지는가?
• RQ4 열류 방향에 따라 축방향 인장이 열전도도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 보로페인의 열전도도는 이방성이 있는가? 만약 그렇다면, 그 이방성은 얼마나 강한가?

주요 결과

• 절단 방향 보로페인 나노리본의 열전도도는 아치 방향보다 현저히 높으며, 최고 408.03 W/mK에 이를 수 있다. 이는 아치 방향의 174.86 W/mK보다 높은 수준이다.
• 보로페인 나노리본의 열전도도는 리본의 너비에 영향을 받지 않으며, 다양한 너비에서 안정된 값을 유지한다.
• 보로페인 나노튜브의 열전도도는 둘레의 변화에 민감하지 않으며, 다양한 둘레에서 일관된 값을 유지한다.
• 보로페인 나노리본과 나노튜브의 열전도도는 열류 방향에 대해 최대 2% 이내의 축방향 인장에 영향을 받지 않는다.
• 보로페인 나노튜브의 열전도도는 나노리본보다 낮으며, 이는 열전도 성능이 구조에 크게 의존함을 시사한다.
• 이 연구는 보로페인 내에서 강력한 내재적 열이방성을 확인하였으며, 절단 방향에서 아치 방향보다 현저히 높은 열전도도를 보였다.