[논문 리뷰] Nanoscale Graphene Disk: A Natural Functionally Graded Material --The Thermal Conductivity of Nanoscale Graphene Disk by Molecular Dynamics Simulation

Nuo Yang, Shiqian Hu외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 08.

Thermal properties of materialsMaterials Science참고 문헌 44인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 비평형 분자역학 시뮬레이션을 사용하여 나노스케일 그래핀 디스크(NGD)의 열전도도를 조사하며, 격자 진동수의 반경 방향 변화에 의해 NGD가 자연스럽게 기능적 경량 열전도도 특성을 나타냄을 입증한다. 결과적으로 NGD는 반경 방향으로 경량 열전도도를 나타내며, 넓은 온도 범위에서 내재된 기능적 경량 재료(FGM)로 사용될 수 있으며, 반경과 온도가 증가할수록 열전도도가 감소한다.

ABSTRACT

In this letter, we investigate numerically (by non-equilibrium molecular dynamics) and analytically the thermal conductivity of nanoscale graphene disks (NGDs), and discussed the possibility to realize FGM with only one material, NGDs. We found that the NGD has a graded thermal conductivity and can be used as FGM in a large temperature range. Moreover, we show the dependent of NGDs' thermal conductivity on radius and temperature. Our study may inspire experimentalists to develop NGD based FGMs and help heat removal of hot spots on chips by graphene.

연구 동기 및 목표

• 나노스케일 그래핀 디스크(NGD)의 내재된 열전도도 특성을 새로운 종류의 기능적 경량 재료(FGM)로 탐색하기.
• NGD와 같이 조성 변화가 없는 단일 재료 시스템이 조성 변화 없이 경량 열전도도를 나타낼 수 있는지 조사하기.
• 분자역학 시뮬레이션을 통해 NGD 반경과 온도에 따른 열전도도의 의존도를 정량화하기.
• 나노스케일 전자기기의 핫스팟 열관리 재료로 NGD의 실현 가능성을 평가하기.

제안 방법

• 비평형 분자역학(NEMD) 시뮬레이션을 사용하여 열기울기 하에서 NGD의 열전도도를 계산하였다.
• NGD 기하구조는 반경 대칭성을 가진 원형 단일층 그래핀 시트로 모델링되었다.
• 열기울기를 반경 방향으로 적용하여 열역량을 측정하고 열전도도를 계산하였다.
• 시뮬레이션 결과를 해석하고 열전도도의 경량 특성을 검증하기 위해 분석 모델을 사용하였다.
• 구조적 및 열적 의존성을 평가하기 위해 열전도도를 반경과 온도의 함수로 평가하였다.
• 물리적 정확성을 확보하기 위해 정확한 다체 상호작용 잠재에너지와 주기적 경계 조건 하에서 시스템을 시뮬레이션하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기하학적 및 진동수적 특성 덕분에 단일 재료로 구성된 나노스케일 그래핀 디스크가 기능적 경량 열전도도를 자연스럽게 나타낼 수 있는가?
• RQ2 NGD의 반경이 증가함에 따라 열전도도는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 온도가 NGD의 반경 방향 열전도도 프로파일에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 NGD가 열관리 응용 분야에서 얼마나 자연스럽게 FGM으로 기능할 수 있는가?
• RQ5 진동수의 반경 분포와 NGD 내 열전도도 간의 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 나노스케일 그래핀 디스크(NGD)는 반경 방향으로 자연스럽게 경량 열전도도를 나타내며, 내재된 기능적 경량 재료(FGM) 행동을 가능하게 한다.
• NGD 반경이 증가할수록 열전도도가 감소하며, 반경이 5 nm에서 20 nm로 증가함에 따라 뚜렷한 감소가 관찰된다.
• NGD의 열전도도는 온도가 상승함에 따라 감소하며, 높은 열에너지에서의 진동수-진동수 산란 증가와 일관된다.
• 반경 열전도도 프로파일은 균일하지 않으며, 중심부에서는 높은 열전도도를, 가장자리 쪽에서는 낮은 값으로 나타나 FGM 행동을 모방한다.
• 자기 경량 열전도도 특성 덕분에 나노스케일 전자기기의 열관리에 매우 높은 잠재력을 보인다.
• 이 연구는 곡면 단일층 그래핀 구조 내 기하학적 구속과 진동수 산란이 조성 변화 없이 효과적인 FGM 유사 열반응을 생성할 수 있음을 확인한다.