[논문 리뷰] Current-Induced Heat Transfer in Double-Layer Graphene

Jiebin Peng, Jian‐Sheng Wang|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 24.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 변동 전자역학과 비평형 그린 함수 방법을 사용하여 동일한 온도 조건에서도 이중층 그래핀에서 전류에 의해 유도되는 복사열전도를 입증한다. 열역학적 힘에 비례하여 열역학적 힘의 제곱에 비례하는 열역학적 힘에 의해 열역학적 힘이 반전되거나 외부 전압에 의해 억제될 수 있으며, 이는 그래핀 내에서의 음성 랑도 감쇠와 관련되어 있으며, 2차원 시스템에서의 능동적 열관리를 위한 새로운 길을 제시한다.

ABSTRACT

Using the fluctuational electrodynamics and nonequilibrium Green's function methods, we demonstrate the existence of a current-induced heat transfer in double-layer graphene even when the temperatures of the two sheets are the same. The heat flux is quadratically dependent on the current. When temperatures are different, external voltage bias can reverse the direction of heat flow. The drift effect can exist in both macroscopic and nanosized double-layer graphene and extend to any other 2D electron systems. These results pave the way for a different approach to the thermal management through radiation in nonequilibrium systems.

연구 동기 및 목표

• 전자 이동에 의해 유도된 비평형 조건에서 이중층 그래핀의 복사열전도(RHT)를 조사하기 위해.
• 두 층이 동일한 온도에 있을 때도 전류가 열전도를 유도할 수 있는지 확인하기 위해.
• 전압 편향이 비평형 그래핀 시스템에서 열역학적 힘의 방향과 크기에 미치는 영향을 탐구하기 위해.
• 이동에 의해 유도되는 효과가 매크로스코픽 및 나노스케일 2차원 전자 시스템 전반에 걸쳐 일반적인가를 규명하기 위해.

제안 방법

• 전자 이동을 고려하기 위해 도플러 시프트된 보스 분포 함수를 사용한 변동 전자역학(FE) 모델링을 통해 시스템을 모델링한다.
• 비평형 그린 함수(NEGF) 형식을 적용하여 전류와 열역학적 힘을 계산하며, 이동 속도를 포함한 극화 함수를 통합한다.
• 이동에 의해 유도된 분포를 기술하기 위해 회복 시간 근사법을 사용하며, 이는 광자 통계에서 화학적 위치 에너지 이동과 유사하다.
• 비지연 한계에서 편광된 비가시파 모드의 전송 계수를 유도하며, 반사 계수는 이동 속도에 의해 수정된다.
• 켈디시 형식에서 전류 연산자의 다이어그램 전개를 수행하며, 디슨 방정식 항등식을 통해 10개의 자기에너지 다이어그램을 두 개로 압축한다.
• 푸리에 변환을 사용하여 시간 영역 표현을 주파수 영역으로 변환하여 최종 열전류 공식을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중층 그래핀에서 두 층이 동일한 온도에 있을 때도 전류에 의해 복사열전도가 유도될 수 있는가?
• RQ2 비평형 그래핀 시스템에서 열역학적 힘의 크기와 방향은 적용된 전류 또는 전압 편향에 어떻게 의존하는가?
• RQ3 외부 전압 편향이 이중층 그래핀에서 온도 기울기로 인한 열역학적 힘을 반전하거나 억제할 수 있는가?
• RQ4 2차원 시스템(예: 그래핀)에서 전류에 의해 유도되는 열역학적 힘을 가능하게 하는 기본 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 이동에 의해 유도되는 열역학적 힘 효과는 매크로스코픽 및 나노스케일 2차원 전자 시스템 전반에 걸쳐 일반적인가?

주요 결과

• 동일한 온도 조건에서도 이중층 그래핀에서 전류에 의해 유도된 열역학적 힘이 존재하며, 열적 기울기가 없는 비평형 복사열전도를 입증한다.
• 열역학적 힘은 이동 속도 또는 적용된 전압 편향에 제곱에 비례하여 증가하며, 전류 주입에 대한 비선형 반응을 나타낸다.
• 외부 전압 편향을 통해 열역학적 힘의 방향을 반전시킬 수 있으며, 열전도의 능동적 제어를 가능하게 한다.
• 전압 편향을 조절함으로써 열역학적 힘을 0으로 억제할 수 있으며, 이는 열복사의 완전한 제어 가능성을 시사한다.
• 이 현상은 그래핀 내에서의 음성 랑도 감쇠에 기인하며, 이 현상을 가능하게 하는 핵심 전자적 성질이다.
• 이 메커니즘은 매크로스코픽 또는 나노스케일 그래핀에 국한되지 않고, 다른 2차원 전자 시스템으로 일반화된다.