[논문 리뷰] Thermal conductivity of graphene kirigami: ultralow and strain robustness

Ning Wei, Yang Chen외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 15.

Graphene research and applications참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 비평형 분자역학 시뮬레이션을 통해 그래핀 키리가미(GNR-k)가 순수한 그래핀 나노리본(~151.6 Wm⁻¹K⁻¹)에 비해 열전도도가 두 계급 정도 감소된 약 ~5.1 Wm⁻¹K⁻¹로 초저온 열전도도를 나타냄을 입증한다. 이는 주로 열 흐름 경로의 연장, 효과적인 열전달 면적의 과대평가, 그리고 가장자리 공백에서의 진동자기 산란으로 인한 것이다. 이 구조는 변형 조건에서도 열전도도를 낮게 유지하는 기계적 변형에 대한 내성을 보이며, 나노스케일 열관리 및 열전기 응용 분야에서의 유용성을 시사한다.

ABSTRACT

Kirigami structure, from the macro- to the nanoscale, exhibits distinct and tunable properties from original 2-dimensional sheet by tailoring. In present work, the extreme reduction of the thermal conductivity by tailoring sizes in graphene nanoribbon kirigami (GNR-k) is demonstrated using nonequilibrium molecular dynamics simulations. The results show that the thermal conductivity of GNR-k (around 5.1 Wm-1K-1) is about two orders of magnitude lower than that of the pristine graphene nanoribbon (GNR) (around 151.6 Wm-1K-1), while the minimum value is expected to be approaching zero in extreme case from our theoretical model. To explore the origin of the reduction of the thermal conductivity, the micro-heat flux on each atoms of GNR-k has been further studied. The results attribute the reduction of the thermal conductivity to three main sources as: the elongation of real heat flux path, the overestimation of real heat flux area and the phonon scattering at the vacancy of the edge. Moreover, the strain engineering effect on the thermal conductivity of GNR-k and a thermal robustness property has been investigated. Our results provide physical insights into the origins of the ultralow and robust thermal conductivity of GNR-k, which also suggests that the GNR-k can be used for nanaoscale heat management and thermoelectric application.

연구 동기 및 목표

• 그래핀 나노리본 키리가미(GNR-k)의 열전도성 특성을 조사하기 위해.
• 순수한 그래핀 나노리본에 비해 GNR-k에서 열전도도가 급격히 감소하는 물리적 기원을 이해하기 위해.
• GNR-k에서 기계적 변형 공학이 열전도도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• GNR-k가 나노스케일 열관리 및 열전기 응용 분야에서의 잠재력을 탐색하기 위해.

제안 방법

• GNR-k 구조의 열전도도를 계산하기 위해 비평형 분자역학(NEMD) 시뮬레이션을 사용하였다.
• 각 원자의 국소적 열전도 거동을 규명하기 위해 원자 수준의 열 흐름을 분석하였다.
• 리본 크기, 가장자리 공백 밀도, 기하학적 형태 등의 구조적 변수를 체계적으로 변화시켜 그 영향을 연구하였다.
• 극한의 경우에 열전도도가 0에 가까워지는 것을 예측하는 이론적 모델을 수립하였다.
• GNR-k에 변형을 가해 열전도도와 내성에 미치는 영향을 평가하기 위해 변형을 적용하였다.
• 가장자리 공백에서의 진동자기 산란 메커니즘을 평가하여 열전도도 감소 원인을 설명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀 키리가미가 순수한 그래핀 나노리본에 비해 열전도도가 얼마나 감소하는가?
• RQ2 GNR-k에서 열전도도 감소에 기여하는 주요 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 기계적 변형은 GNR-k의 열전도도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 GNR-k는 기계적 변형 조건에서도 초저온 열전도도를 유지할 수 있는가, 즉 변형에 강한가?
• RQ5 GNR-k의 열전도도 이론적 한계는 무엇이며, 이는 구조 설계에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• GNR-k의 열전도도는 약 ~5.1 Wm⁻¹K⁻¹로 감소하여 순수한 그래핀 나노리본(~151.6 Wm⁻¹K⁻¹)에 비해 두 계급 정도 감소하였다.
• 이론적 모델에 따르면, 극한의 구조 조정 조건에서 GNR-k의 최소 열전도도는 0에 가까워질 것으로 예측된다.
• 열전도도 감소에 기여하는 세 가지 주요 요인은 다음과 같다: 연장된 실제 열 흐름 경로, 과대평가된 효과적 열전달 면적, 가장자리 공백에서의 진동자기 산란.
• GNR-k는 변형 조건에서도 초저온 열전도도를 유지하는 기계적 변형에 대한 내성을 보이며, 도중에 안정성이 확보되어 도전성 유연한 열관리 응용 분야에 적합하다.
• 이 연구는 가장자리 공학과 구조 설계를 통해 2차원 물질에서 조절 가능한 초저온 열전도도를 달성하는 데 효과적인 전략임을 규명하였다.
• 결과적으로 GNR-k는 나노스케일 열전기 장치 및 열관리 시스템에서 유망한 후보자로 여겨진다.