[论文解读] Further improvement of lattice thermal conductivity from bulk crystalline to 1-D-chain polyethylene: A high-yet-finite thermal conductivity using first-principles calculation

Xinjiang Wang, Massoud Kaviany+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2017

Thermal properties of materials参考文献 2被引用 3

一句话总结

本研究采用从头算非谐晶格动力学方法预测，单链聚乙烯在室温下具有显著高且有限的晶格热导率，达1400 W/m·K，超过体相结晶聚乙烯（237 W/m·K）六倍以上，这是由于链间范德华相互作用减弱以及声子散射态空间受抑制所致。该有限值源于低频弯曲和扭转运动模式中的强非谐散射，尽管具有二次色散关系的横向声子贡献极小。

ABSTRACT

We calculate the thermal conductivity (\k{appa}) of both bulk crystalline and single-chain polyethylene (PE) using the first-principles-based anharmonic lattice dynamics. Despite its low \k{appa} in amorphous state, the predicted bulk crystal has high axial \k{appa} (237 W/m-K) at room temperature. The much lower measured \k{appa} is attributed to the small size of nanocrystallites (~10 nm) in synthesized semi-crystalline PE. For the 1-D chain, the predicted \k{appa} is much larger and yet finite (1400 W/m-K at room temperature). The reduction of scattering phase space caused by the diminished interchain van der Waals interactions explains this larger \k{appa}. It is also found that the transverse phonon branches with quadratic dispersion make minor contribution to this, due to their vanishing group velocity in the long-wavelength limit. Moreover, the low-frequency bending and twisting phonon modes are strongly coupled and dominate anharmonic phonon scatterings, leading to the finite \k{appa}. The predicted high \k{appa} of bulk and chain PE crystals enable polymer usage in thermal management and the above phonon scatterings provide guide for their nano-designs.

研究动机与目标

• 研究体相结晶聚乙烯与一维链状结构下聚乙烯的晶格热导率。
• 阐明一维聚乙烯链中高而有限热导率的起源。
• 明确声子色散关系与非谐散射机制在决定热输运性质中的作用。
• 通过纳米结构设计为聚合物基热管理材料提供设计原则。

提出的方法

• 采用基于密度泛函理论（DFT）的从头算方法计算声子色散关系与非谐力常数。
• 利用非谐晶格动力学方法，通过声子的玻尔兹曼输运方程计算晶格热导率。
• 比较体相结晶聚乙烯与孤立一维聚乙烯链的热导率。
• 分析声子群速度与散射速率，评估不同振动模式的贡献。
• 通过比较体相与孤立链中链间耦合情况，量化链间范德华相互作用的影响。
• 研究低频弯曲与扭转运动模式的非谐耦合及其散射效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 与体相结晶聚乙烯相比，孤立一维聚乙烯链的晶格热导率如何？
• RQ2 尽管维度降低，为何一维链的热导率更高？
• RQ3 链间范德华相互作用如何影响声子散射与热导率？
• RQ4 具有二次色散关系的横向声子模式对热输运的贡献如何？
• RQ5 低频弯曲与扭转运动模式中的非谐耦合在限制热导率方面起何作用？

主要发现

• 预测的体相结晶聚乙烯在室温下的晶格热导率为237 W/m·K，显著高于实验测得的值。
• 实验测得的较低值可归因于实际半结晶样品中存在约10 nm的小纳米晶粒。
• 一维聚乙烯链在室温下热导率达1400 W/m·K，远超体相形式。
• 一维链中热导率的提升源于链间范德华相互作用减弱，从而减小了声子散射的态空间。
• 具有二次色散关系的横向声子模式贡献极小，因其在长波极限下群速度趋近于零。
• 低频弯曲与扭转运动模式中的强非谐耦合主导了声子散射，导致热导率虽高但有限。