[논문 리뷰] Thermal transport in van der Waals graphene/boron-nitride structure: a molecular dynamics study

M. Sadegh Alborzi, Ali Rajabpour|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 31.

Graphene research and applications참고 문헌 43인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 비평형 분자역학(NEMD)을 사용하여 터소프 및 레너드존 포텐셜을 적용해 이중층 그래핀/하이드로젠비닐렌(h-BN) 및 그래핀/h-BN 반데르발스 헤테로구조에서의 열전도를 연구한다. 열전도도는 시스템 길이에 따라 증가하며, 단일층 그래핀과 h-BN보다 뛰어나 361 W/mK의 효과적 열전도도를 기록한다—이는 단일층 그래핀(321 W/mK)과 h-BN(159 W/mK)을 초월하지만 이중층 그래핀/h-BN(422 W/mK)에는 미치지 못한다.

ABSTRACT

Among the van der Waals heterostructures, graphene/h-BN heterostructure is an appropriate candidate for 2D nanoelectronic devices. In this paper, using non-equilibrium molecular dynamics simulation approach, heat transport in bilayer graphene/h-BN and graphene/h-BN van der Waals heterostructure (i.e. h-BN flakes periodically inserted on the top and bottom of a graphene layer) are explored. The results show that by increasing the length of the system, the thermal conductivity of bilayer graphene/h-BN increases. Furthermore, it was revealed that heat transport in graphene/h-BN heterostructure enhances compared to that in monolayer graphene or monolayer h-BN. The size effect analysis shows that the heat fluxes passing through each layer in bilayer graphene/h-BN converges when the size of the system is larger than 100 nm. The results can improve the understanding heat transfer phenomena in the van der Waals heterostructures and improve designing of heterostructures for better thermal management and heat dissipation.

연구 동기 및 목표

• 이중층 그래핀/h-BN 헤테로구조에서 길이에 의존하는 열전도도를 조사하기 위해.
• 단일층 그래핀, 단일층 h-BN, 이중층 그래핀/h-BN와의 열전도를 비교하기 위해.
• 2차원 나노스케일에서의 열관리에 있어 반데르발스 상호작용과 층 구조가 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 2차원 나노전자 장치의 열관리 설계에 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• 열전도도를 계산하기 위해 비평형 분자역학(NEMD) 시뮬레이션을 사용하였다.
• 그래핀과 h-BN의 평면 내 상호작용에는 터소프 포텐셜을 적용하였고, 이중층 간 반데르발스 힘은 레너드존 포텐셜로 모델링하였다.
• 크기 효과를 연구하기 위해 시스템 길이를 변화시켰으며, 최대 30 nm까지 분석하였다.
• 그래핀과 h-BN 층 간의 열전달을 비교하기 위해 2차원 에너지 플럭스 프로파일을 사용하였다.
• 연속 열저항 모델을 사용하여 효과적 열전도도를 계산하였다.
• NEMD 결과를 등가 회로 근사치와 비교하여 열저항 모델의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시스템 길이가 이중층 그래핀/h-BN의 열전도도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 이중층 그래핀/h-BN에서 그래핀과 h-BN 층 간의 열플럭스 분포는 어떻게 다른가?
• RQ3 그래핀/h-BN 헤테로구조의 열전도는 단일층 그래핀과 단일층 h-BN와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 그래핀/h-BN 헤테로구조의 효과적 열전도도는 얼마이며, 이중층 그래핀/h-BN와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ5 반데르발스 상호작용은 헤테로구조의 계면 열저항에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 이중층 그래핀/h-BN의 열전도도는 시스템 길이가 증가함에 따라 증가하며, 100 nm 이상일 경우 수렴한다.
• 무한한 길이에서 이중층 구조의 효과적 열전도도는 1111 ± 50 W/mK에 도달한다.
• 그래핀/h-BN 헤테로구조에서 효과적 열전도도는 361 W/mK이며, 단일층 그래핀(321 W/mK)과 단일층 h-BN(159 W/mK)을 초월한다.
• 그래핀/h-BN 헤테로구조의 열전도도는 이중층 그래핀/h-BN(422 W/mK)보다 낮으며, 이는 연속된 층이 열전도를 향상시킨다는 것을 시사한다.
• 짧은 길이에서는 그래핀 층을 통한 열플럭스가 지배적이지만, 시스템 크기가 증가함에 따라 그래핀과 h-BN 층 간의 차이가 점점 줄어든다.
• 층 간 상호작용 강도를 낮출수록 NEMD 결과와 등가 열회로 모델 결과 간 격리가 감소하며, 이는 계면 저항의 역할을 확인한다.