[論文レビュー] Phononic thermal properties of two-dimensional materials

Xiaokun Gu, Yujie Wei+3 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2017

Acoustic Wave Phenomena Research被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、二次元（2D）材料のフォノニック熱的性質をレビューし、結晶構造、次元性、不純物、忆み、基板相互作用が熱伝導率に与える影響を分析している。本稿は、次元性の低下や層数、ナノリブ幅といった構造的特徴がフォノン分散および緩和時間に顕著に影響を与え、熱伝導のチューニングが可能であることを示しており、フォノニックデバイスおよび熱管理応用分野における重要な知見を提供している。

ABSTRACT

Following the emergence of many novel two-dimensional (2-D) materials beyond graphene, interest has grown in exploring implications for fundamental physics and practical applications, ranging from electronics, photonics, phononics, to thermal management and energy storage. In this Colloquium, we first summarize and compare the phonon properties, such as phonon dispersion and relaxation time, of pristine 2-D materials with single layer graphene to understand the role of crystal structure and dimension on thermal conductivity. We then compare the phonon properties, contrasting idealized 2-D crystals, realistic 2-D crystals, and 3-D crystals, and synthesizing this to develop a physical picture of how the sample size of 2-D materials affects their thermal conductivity. The effects of geometry, such as number of layers, and nanoribbon width, together with the presence of defects, mechanical strain, and substrate interactions, on the thermal properties of 2-D materials are discussed. Intercalation affects both the group velocities and phonon relaxation times of layered crystals and thus tunes the thermal conductivity along both the through-plane and basal-plane directions. We conclude with a discussion of the challenges in theoretical and experimental studies of thermal transport in 2-D materials. The rich and special phonon physics in 2-D materials make them promising candidates for exploring novel phenomena such as topological phonon effects and applications such as phononic quantum devices.

研究の動機と目的

• 純粋な2D材料とグラフェン、3D結晶を比較して、分散関係や緩和時間といったフォノンの基本的性質を理解すること。
• サンプルサイズ、幾何学的要因（層数、ナノリブ幅）および構造的欠陥が2D材料における熱伝導率に与える影響を調査すること。
• 機械的応力、基板相互作用、イオン液性の影響がフォノン群速度および緩和時間に与える影響を分析すること。
• 理想状態、現実的状態、3D結晶系を含めた2D材料における熱伝導の物理的図像を統合的に構築すること。
• 今後の研究および応用に向けた、2D材料における熱伝導の理論的・実験的研究における主な課題を特定すること。

提案手法

• 第一原理計算および格子力学を用いて、純粋な2D材料、単層グラフェン、3D結晶間のフォノン分散および緩和時間の比較。
• 連続体モデルおよびフォノンボルツマン輸送方程式を用いて、幾何学的要因および欠陥に起因する熱伝導率の依存性を分析。
• イオン液性効果を、修正されたフォノン分散および緩和時間の計算に組み込み、層状結晶における熱伝導率のチューニングを評価。
• 有限サイズスケーリングおよび境界散乱モデルを用いた、ナノリブおよび薄膜におけるサイズ効果の体系的分析。
• 界面フォノン結合および熱的境界抵抗モデルを用いて、基板相互作用の評価。
• 理論的および実験的データの統合により、2D材料における熱伝導の統一的枠組みを確立すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 次元性および結晶構造の違いにより、2D材料におけるフォノン分散および緩和時間は、グラフェンや3D結晶とどのように異なるか？
• RQ2 サンプルサイズ、層数、ナノリブ幅は、2D材料における熱伝導率にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 欠陥、機械的応力、基板相互作用は、2D系におけるフォノン群速度および緩和時間にどのように影響を及けるか？
• RQ4 イオン液性は、層状2D材料の垂直方向および基底面方向の両方において、熱伝導率をどの程度チューニング可能にするか？
• RQ5 ナノスケールでの2D材料における熱伝導の正確なモデリングおよび測定に、主にどのような課題が存在するか？

主な発見

• 2D材料における次元性の低下は、フォノン散乱の増加および分散関係の変更を引き起こし、バルク材料と比較して熱伝導率が顕著に低下する。
• 2D材料における熱伝導率はサイズに強く依存しており、境界散乱の影響により、細いナノリブでは顕著に抑制される。
• 欠陥および応力はフォノン群速度および緩和時間を変化させ、熱伝導特性の能動的チューニングを可能にする。
• 基板相互作用は、追加のフォノン散乱機構を導入し、支持されたまたはスパナードな2D系では熱伝導率が数個のオーダーまで低下する。
• 層状2D材料におけるイオン液性は、フォノン群速度および緩和時間を両方変化させ、面内および垂直方向の両方における熱伝導率の方向的チューニングを可能にする。
• サンプル品質、測定分解能、界面および欠陥効果の正確なモデリングの難しさにより、理論的および実験的結果の乖離が依然として存在する。