[논문 리뷰] Thermal Conductivity of Suspended Graphene with Defects

Hoda Malekpour, Pankaj Ramnani외 6명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 16.

Thermal properties of materials인용 수 103

한 줄 요약

본 연구는 저에너지 전자 조사로 부상 그래핀에 고려된 결함을 도입하는 것이 열전도에 미치는 영향을 조사하고, 결함 밀도가 높아질 때 포화 거동을 드러내며 Boltzmann 전도 및 MD 시뮬레이션으로 모델링한다.

ABSTRACT

We investigate the thermal conductivity of suspended graphene as a function of the density of defects, ND, introduced in a controllable way. Graphene layers are synthesized using chemical vapor deposition, transferred onto a transmission electron microscopy grid, and suspended over ~7.5-micrometer size square holes. Defects are induced by irradiation of graphene with the low-energy electron beam (20 keV) and quantified by the Raman D-to-G peak intensity ratio. As the defect density changes from 2.0x10^10 cm-2 to 1.8x10^11 cm-2 the thermal conductivity decreases from ~(1.8+/-0.2)x10^3 W/mK to ~(4.0+/-0.2)x10^2 W/mK near room temperature. At higher defect densities, the thermal conductivity reveals an intriguing saturation behavior at a relatively high value of ~400 W/mK. The thermal conductivity dependence on defect density is analyzed using the Boltzmann transport equation and molecular dynamics simulations. The results are important for understanding phonon - point defect scattering in two-dimensional systems and for practical applications of graphene in thermal management.

연구 동기 및 목표

• 실온에서 ND가 부상 그래핀의 열전도도에 미치는 영향을 이해한다.
• 선량에 의해 유도된 결함과 포논 수송 간의 관계를 정량화한다.
• 실험 결과를 이론 모델 및 분자 동역학 시뮬레이션과 비교한다.

제안 방법

• CVD 성장을 통해 부상 그래핀을 준비하고 약 7.5 µm 구멍이 있는 TEM 격자로 transfer 한다.
• 20 keV의 저에너지 전자 조사로 결함을 도입하고 Raman D/G 강도 비로 정량한다.
• 실온에서 결함 밀도에 따른 열전도도를 측정한다.
• Boltzmann 운송 방정식으로 ND 의존성을 분석하고 이를 분자 동역학 시뮬레이션으로 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실온에서 ND라는 결함 밀도가 부상 그래핀의 열전도도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 결함이 있는 그래핀에서 ND와 κ 사이의 함수적 관계는 무엇인가?
• RQ3 2D 그래핀에서 포논-결함 산란 효과에 대해 Boltzmann 운송 방정식 분석과 MD 시뮬레이션은 일치하는가?

주요 결과

• 결함 밀도가 2.0×10^10 cm^-2에서 1.8×10^11 cm^-2로 증가함에 따라 열전도도는 대략 (1.8±0.2)×10^3 W/mK에서 (4.0±0.2)×10^2 W/mK로 감소한다.
• 더 높은 결함 밀도에서 κ는 약 400 W/mK 근처에서 포화되는 모습을 보인다.
• 결과는 이차원 계에서 포논-점 결함 산란의 역할을 강조하며, 그래핀 기반 열 관리에 시사점을 가진다.
• 발견은 볼츠만 운송 방정식 분석과 분자 동역학 시뮬레이션에 의해 뒷받침된다.