[논문 리뷰] Thermal Conductivity of Nanotubes Revisited: Effects of Chirality, Isotope Impurity, Tube Length, and Temperature

Gang Zhang, Baowen Li|arXiv (Cornell University)|2004. 03. 16.

Thermal properties of materialsMaterials Science인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 Tersoff 결합 차수 포텐셜을 사용한 비평형 분자 동역학를 통해 단일성 탄소 나노튜브(SWNTs)의 열전도도를 조사하며, 열전도도가 나노튜브의 나선도에 크게 민감하지 않지만, 동위원소 불순물에 의해 심하게 감소(최대 60%)됨을 밝혀냈다. 저온에서는 열전도가 구동성으로 나타나고, 고온에서는 열전도도가 관찰되는 길이에 따라 $\kappa \sim L^{\beta}$로 스케일링되며, 이때 $\beta$는 온도와 반지름에 따라 달라지며, 포논 모드 결합 효과를 시사한다.

ABSTRACT

We study the dependence of thermal conductivity of single walled nanotubes (SWNT) on chirality, isotope impurity, tube length and temperature by nonequilibrium molecular dynamics method with accurate potentials. It is found that, contrary to electronic conductivity, the thermal conductivity is insensitive to the chirality. The isotope impurity, however, can reduce the thermal conductivity up to 60% and change the temperature dependence behavior. We also found that the tube length dependence of thermal conductivity is different for nanotubes of different radius at different temperatures.

연구 동기 및 목표

• 단일성 탄소 나노튜브(SWNTs)에서 열전도도가 나선도, 동위원소 불순물, 나노튜브 길이 및 온도에 따라 어떻게 달라지는지 이해하기.
• SWNTs에서 열전도가 1차원, 준1차원 또는 2차원 시스템과 유사한가에 대한 열린 질문들을 해결하기.
• 격자 진동에 초점을 맞춰 포논과 전자가 열전도에 미치는 역할을 명확히 하기.
• 실용적 나노튜브 응용을 위해 동위원소 불순물과 구조적 매개변수가 열전도 특성에 미치는 영향을 정량화하기.

제안 방법

• SWNTs 내 원자 간 상호작용을 모델링하기 위해 Tersoff 경험적 결합 차수 포텐셜을 사용한 비평형 분자 동역학(NEMD).
• 정적 온도 기울기를 유도하기 위해 나노튜브 양단에 두 개의 Nosé-Hoover 열 baths를 적용.
• 열전도도 $\kappa$는 푸아송의 법칙을 통해 계산: $J = -\kappa \nabla T$, 여기서 $J$는 단위 면적당 에너지 유량이다.
• 관통 단면적은 $2\pi r d$로 정의되며, $d = 1.44\,\AA$는 효과적 두께이다.
• 임시 평형화 이후 $10^6$–$10^7$ fs 동안 평균을 내어 통계적 수렴을 확보.
• 나선도(예: (9,0), (10,0), (5,5)), 동위원소 농도, 나노튜브 길이 및 온도를 체계적으로 변화시켜 영향을 분리.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열전도도가 전자 전도도와 마찬가지로 SWNTs에서 나선도에 크게 의존하는가?
• RQ2 동위원소 불순물이 탄소 나노튜브의 열전도도를 어느 정도 감소시키는가?
• RQ3 다른 온도에서 열전도도가 나노튜브 길이에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ4 저온에서 SWNTs의 열전도는 구동성인가? 고온에서는 어떻게 산란 행동으로 전이되는가?
• RQ5 횡방향 및 종방향 포논 모드가 어떻게 결합되어 열전도도 스케일링에 영향을 미치는가?

주요 결과

• 열전도도는 나선도에 민감하지 않다: (9,0), (10,0), (5,5) 나노튜브는 전자적 성질의 차이에도 불구하고 유사한 열전도도를 보인다.
• 동위원소 불순물로 인해 열전도도가 최대 60% 감소하며, 이는 온도 의존성 행동을 크게 변화시킨다.
• 2 K에서 열전도도는 구동성으로 나타나며, 온도 기울기가 없는 1차원 조화 격자와 유사하다.
• 300 K 및 800 K에서 횡방향 및 종방향 포논 모드 간의 결합으로 인해 SWNTs 내에서 온도 기울기가 발생한다.
• 열전도도는 나노튜브 길이에 따라 $\kappa \sim L^{\beta}$로 스케일링되며, $\beta$는 온도와 나노튜브 반지름이 증가함에 따라 감소한다.
• (5,5) 나노튜브에서 300 K일 때 $\beta \approx 0.4$로, 근사 1차원 행동을 나타내며, 고온 및 더 큰 반지름에서는 모드 결합이 강화되어 $\beta$가 감소한다.