[논문 리뷰] Temperature dependence of electrical and thermal conduction in single silver nanowire

Zhe Cheng, Longju Liu외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 27.

Nanomaterials and Printing Technologies참고 문헌 30인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 35 K까지의 온도에서 단일은은 나노와이어의 전기적 및 열적 운반 특성에 대해 정 steady-state 전열 기법을 사용하여 온도 의존성을 조사한다. 비편재 은에 비해 전기적 저항률은 4배 증가하고 열전도도는 55% 감소하며, Debye 온도가 151 K로 36% 낮아져 강한 격자 진동의 연성화(phonon softening)를 나타내며, 결정립 경계에서의 전자 산란이 주요한 원인임을 시사한다.

ABSTRACT

Silver nanowires have great application potential in fields like flexible electronic devices, solar cells and transparent electrodes. It is critical and fundamental to study the thermal and electrical transport properties in a single silver nanowire. In this work, the thermal and electrical transport in an individual silver nanowire is characterized down to 35 K with the steady state electro-thermal technique. The results indicate that, at room temperature, the electrical resistivity increases by around 4 folds compared from that of its bulk counterpart. After fitting the temperature dependent electrical resistivity curves with the Bloch-Grüneisen formula, the Debye temperature (151 K) of the silver nanowire is found 36% lower than that (235 K) of bulk silver, confirming strong phonon softening. The thermal conductivity is reduced by 55% compared with that of its bulk counterpart at room temperature and this reduction becomes larger as the temperature goes down. To explain the opposite trends of thermal conductivity (\k{appa}) ~ temperature (T) of silver nanowire and bulk silver, a unified thermal resistivity is used to elucidate the electron scattering mechanism. A large residual unified thermal resistivity for the silver nanowire is observed while that of the bulk silver is almost zero. The same trend of variation against T indicates that the silver nanowire and bulk silver share the same phonon-electron scattering mechanism. Additionally, due to phonon-assisted electron energy transfer across the grain boundaries, the Lorenz number of the silver nanowire is found much larger than that of bulk silver and decreases with decreasing temperature.

연구 동기 및 목표

• 저온에서 단일은은 나노와이어의 기본적인 열 및 전기적 운반 특성을 이해하기 위해.
• 전기적 저항률과 열전도도에서 비편재 은과의 편차를 정량화하기 위해.
• 나노와이어에서 운반 특성이 저하되는 배경이 되는 산란 메커니즘을 규명하기 위해.
• 결정립 경계와 격자 진동-전자 상호작용이 열 및 전기적 운반 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해.

제안 방법

• 35 K에서 실온까지의 온도 범위에서 단일은은 나노와이어의 전기적 및 열적 운반 특성을 정 steady-state 전열 기법을 사용하여 측정하였다.
• 온도 의존적인 전기적 저항률 데이터를 Bloch-Grüneisen 공식에 맞춰서 피팅하여 Debye 온도를 추출하였다.
• 적용된 전류 하에서 측정된 전압 및 온도 기울기를 바탕으로 열전도도를 계산하였다.
• 통합된 열저항률 모델을 사용하여 나노와이어와 비편재 은 간의 전자 산란 기여도를 비교하였다.
• 전자-격자 진동 결합과 에너지 전달 효율성을 평가하기 위해 Lorenz 수를 분석하였다.
• 결과를 비편재 은과 비교하여 크기와 미세구조의 영향을 분리하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일은은 나노와이어의 전기적 저항률은 온도에 따라 어떻게 변화하며, 비편재 은과 어떻게 다를까?
• RQ2 은 나노와이어에서 비편재 은에 비해 열전도도가 감소하는 원인은 무엇인가?
• RQ3 은 나노와이어의 Debye 온도는 비편재 은과 비교하여 어떻게 다른가? 이는 격자 진동의 연성화에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 결정립 경계는 나노와이어에서 전자 산란과 열저항률에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 은 나노와이어에서의 Lorenz 수는 Wiedemann-Franz 법칙에서 어떻게 벗어나며, 온도에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 실온에서 은 나노와이어의 전기적 저항률은 비편재 은에 비해 약 4배 증가한다.
• 은 나노와이어의 Debye 온도는 151 K로 비편재 은의 235 K에 비해 36% 낮아, 강한 격자 진동의 연성화를 나타낸다.
• 실온에서 나노와이어의 열전도도는 비편재 은에 비해 55% 감소하며, 저온에서 감소율이 더욱 커진다.
• 나노와이어에서는 큰 잔류 통합 열저항률이 관측되나, 비편재 은에서는 거의 0에 가까워, 결정립 경계에서의 강한 전자 산란을 시사한다.
• 나노와이어의 Lorenz 수는 비편재 은보다 현저히 높으며, 온도가 내려갈수록 감소하여, 결정립 경계를 넘어서 격자 진동이 전자 에너지를 보조적으로 전달하는 것을 시사한다.
• 나노와이어와 비편재 은 간의 열전도도 온도 의존성의 반대 방향 변화는 통합된 열저항률 모델로 설명되며, 공통된 격자 진동-전자 산란 메커니즘이 있음을 확인한다.