[論文レビュー] Revealing the Anisotropic Thermal Conductivity of Black Phosphorus using the Time-Resolved Magneto-Optical Kerr Effect

Jie Zhu, Haechan Park+12 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2015

2D Materials and Applications参考文献 64被引用数 53

ひとこと要約

本研究では、バルク黒リン（BP）の異方的熱伝導率を測定するために、時間分解磁気光学カー効果（TR-MOKE）という新規技術を導入した。その結果、ゾーン方向では84–101 W/(m·K)、アームチェア方向では26–36 W/(m·K)の強い面内異方性が明らかになった。また、垂直方向の熱伝導率は4.3–5.5 W/(m·K)であり、第一原理フォノン輸送計算によっても裏付けられた。

ABSTRACT

Black phosphorus (BP) has emerged as a direct-bandgap semiconducting material with great application potentials in electronics, photonics, and energy conversion. Experimental characterization of the anisotropic thermal properties of BP, however, is extremely challenging due to the lack of reliable and accurate measurement techniques to characterize anisotropic samples that are micrometers in size. Here, we report measurement results of the anisotropic thermal conductivity of bulk BP along three primary crystalline orientations, using the novel time-resolved magneto-optical Kerr effect (TR-MOKE) with enhanced measurement sensitivities. Two-dimensional beam-offset TR-MOKE signals from BP flakes yield the thermal conductivity along the zigzag crystalline direction to be 84 ~ 101 W/(m*K), nearly three times as large as that along the armchair direction (26 ~ 36 W/(m*K)). The through-plane thermal conductivity of BP ranges from 4.3 to 5.5 W/(m*K). The first-principles calculation was performed for the first time to predict the phonon transport in BP both along the in-plane zigzag and armchair directions and along the through-plane direction. This work successfully unveiled the fundamental mechanisms of anisotropic thermal transport along the three crystalline directions in bulk BP, as demonstrated by the excellent agreement between our first-principles-based theoretical predictions and experimental characterizations on the anisotropic thermal conductivities of bulk BP.

研究の動機と目的

• マイクロメーターサイズの黒リン（BP）フラクチュアで異方的熱伝導率を実験的に測定する課題に対処すること。
• 非接触での熱的性質評価が可能な高感度時間分解磁気光学カー効果（TR-MOKE）技術の開発および応用。
• バルクBPの主な結晶方位（ゾーン、アームチェア、垂直方向）に沿った熱伝導率の定量的評価。
• 第一原理フォノン輸送予測に対する直接的な実験的ベンチマークの確立。
• 黒リンにおける熱輸送の顕著な異方性の背後にある基本的メカニズムの解明。

提案手法

• BPフラクチュアにおける超高速熱的遷移を検出するために、ビームオフセット幾何学を用いた時間分解磁気光学カー効果（TR-MOKE）を用いた。
• レーザー励起によるBPフラクチュアからの一時的カー回転信号を測定し、熱拡산ダイナミクスを推定し、熱伝導率を抽出した。
• 熱応答マッピングの空間的および時間的分解能を向上させるために、二次元的ビームオフセット構成を採用した。
• 密度汎関数理論（DFT）を用いた第一原理フォノン輸送計算により、異なる結晶方位に沿った熱伝導率を予測した。
• 実験的TR-MOKEデータと理論的予測を照合し、異方的熱輸送挙動の妥当性を検証した。
• モデルに基づくフィッティング手順を用いて、時間分解カー信号の減衰曲線から熱伝導率値を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バルク黒リンの面内ゾーン方向およびアームチェア方向における熱伝導率の大きさと異方性は何か？
• RQ2 BPの垂直方向熱伝導率は、その面内値と比べてどの程度か？
• RQ3 第一原理フォノン輸送計算は、実験的に観察された異方性をどの程度再現できるか？
• RQ4 時間分解磁気光学カー効果（TR-MOKE）は、異方性を持つ2次元材料の熱伝導率を信頼性高く非接触で測定できるか？
• RQ5 観察された黒リンの熱的異方性の背後にある原子スケールのメカニズムは何か？

主な発見

• 黒リンの面内ゾーン方向における熱伝導率は84–101 W/(m·K)と測定され、アームチェア方向よりも顕著に高いことが判明した。
• アームチェア方向の熱伝導率は26–36 W/(m·K)であり、ゾーン方向と比較して約3倍の異方性が示された。
• バルクBPの垂直方向熱伝導率は4.3–5.5 W/(m·K)と測定され、両面内方向よりも顕著に低かった。
• 第一原理フォノン輸送計算は、実験的TR-MOKE測定値と良好に一致し、熱輸送の異方的性質を確認した。
• TR-MOKE技術は、マイクロメータースケールのBPフラクチュアにおいて、高い感度と空間分解能で熱的異方性を解明できた。
• 本研究は、磁気光学応答を用いたvan der Waals材料における熱的異方性の探査のための信頼できる実験的フレームワークを確立した。