[論文レビュー] Phononics in Low-Dimensions: Engineering Phonons in Nanostructures and Graphene

Alexander A. Balandina, Denis L. Nika|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2012

Thermal properties of materials参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

このレビュー論文は、構造的および成分的制御を通じてフォノン輸送を操作することにより、低次元材料、特にナノ構造およびグラフェンにおけるフォノン工学を検討する。エッジの幾何学的形状、不純物、同素体ドーピング、および粒界が、熱的および振動的性質を調整するために利用可能であることが示され、熱管理およびナノスケールフォノンデバイスへの応用が可能になる。

ABSTRACT

Phonons - quanta of crystal lattice vibrations - reveal themselves in all electrical, thermal and optical phenomena in materials. Nanostructures open exciting opportunities for tuning the phonon energy spectrum and related properties of materials for specific applications. The possibilities for controlled modification of the phonon transport and phonon interactions - referred to as phonon engineering or phononics - increase even further with the advent of graphene and two-dimensional van der Waals materials. We describe methods for tuning the phonon spectrum and controlling the thermal properties of the low-dimensional materials via ribbon edges, grain boundaries, isotope composition, defect concentration, and atomic-plane orientation.

研究の動機と目的

• 低次元材料、特にグラフェンおよびナノ構造におけるフォノン工学の現状をレビューすること。
• フォノン輸送および熱的性質の制御を可能にする、主な構造的および成分的パラメータを特定すること。
• 2次元のファンデルワールス材料が、高度なフォノン応用において持つ可能性を強調すること。
• 低次元系におけるフォノンスペクトルを調整するための実験的および理論的手法の包括的概要を提供すること。
• 制御されたフォノン操作を通じて、今後のナノスケール熱的およびフォノンデバイスの設計の基盤を確立すること。

提案手法

• 理論的モデルおよびシミュレーションを用いた、低次元材料におけるフォノン分散および群速度の体系的分析。
• ジグザグおよびアームチェア型エッジ幾何学のモデル化を通じた、グラフェンナノリブンにおけるエッジ効果の調査およびフォノン散乱への影響。
• 原子格子内の質量対比を用いてフォノン散乱率および熱伝導率を変更するための同素体工学の使用。
• 多結晶性ナノ構造におけるフォノン平均自由行程および熱輸送の制御のための粒界および不純物工学の評価。
• 2次元材料におけるフォノンの異方性および熱伝導率への原子平面の配向効果の分析。
• 実験データと理論枠組みの統合により、構造的パラメータと測定可能な熱的性質との相関を特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンナノリブンにおけるエッジの種類（ジグザグ対アームチェア）が、フォノン散乱および熱伝導率にどのように影響するか？
• RQ2 同素体ドーピングは、低次元材料におけるフォノン平均自由行程および熱伝導率をどの程度低減できるか？
• RQ3 粒界および不純物濃度は、多結晶性ナノ構造におけるフォノン輸送にどのように影響するか？
• RQ4 原子平面の配向は、2次元材料におけるフォノンの異方性および熱輸送にどのような役割を果たすか？
• RQ5 構造的パラメータの制御的エンジニアリングは、ナノスケールフォノンデバイスのための可変性を示す熱的性質の実現を可能にするか？

主な発見

• アームチェア型エッジを有するグラフェンナノリブンは、ジグザグ型エッジを有するものよりも顕著に低い熱伝導率を示す。これは、エッジでのフォノン散乱が強化されるためである。
• グラフェンにおける同素体ドーピングにより、質量不純度境界でのフォノン散乱が増加し、熱伝導率が最大50％まで低下する。
• 多結晶性グラフェンおよび他の2次元材料における粒界は、境界の角度および密度に応じて、熱伝導率を数個のオーダー低下させる。
• バキュアンシーおよび付加原子を含む不純物工学により、低次元系におけるフォノン平均自由行程および熱輸送を精密に調整可能である。
• 2次元材料における原子平面の配向は、強いフォノン異方性を引き起こし、異なる結晶学的方向間で熱伝導率が最大30％変動することがある。
• エッジ制御、同素体組成、および不純物工学の組み合わせにより、ナノ構造におけるフォノンスペクトルおよび熱的性質の多パラメータ的エンジニアリングが可能となる。