[论文解读] Direction dependent thermal conductivity of monolayer phosphorene: parameterization of Stillinger-Weber potential and molecular dynamics study

Wen Xu, Liyan Zhu+3 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2015

Thermal properties of materials参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究开发了一套参数化的Stillinger-Weber势能模型用于单层黑磷，以实现平衡分子动力学模拟，揭示了其具有强烈方向依赖性的热导率：在锯齿形方向上为152.7 W/mK，在扶手椅形方向上为33.0 W/mK，导致各向异度比达到五倍。该各向异性主要源于声子群速度的差异，其有效声子平均自由程分别为141.4 nm（锯齿形）和43.4 nm（扶手椅形）。

ABSTRACT

A Stillinger-Weber interatomic potential is parameterized for phosphorene. It well reproduces the crystal structure, cohesive energy and phonon dispersion predicted by first-principles calculations. The thermal conductivity of phosphorene is further explored by equilibrium molecular dynamics simulations adopting the optimal set of potential parameters. At room temperature, the intrinsic thermal conductivities along zigzag and armchair directions are about 152.7 and 33.0 W/mK, respectively, with a large anisotropy ratio of five. The remarkably directional dependence of thermal conductivity in phosphorene, consistent with previous reports, is mainly due to the strong anisotropy of phonon group velocities, and weak anisotropy of phonon lifetimes as revealed by lattice dynamics calculations. Moreover, the effective phonon mean free paths at zigzag and armchair directions are about 141.4 and 43.4nm, respectively.

研究动机与目标

• 开发一种可转移的Stillinger-Weber原子间势能模型，用于单层黑磷，以精确描述其结构与能量特性。
• 利用平衡分子动力学模拟研究黑磷的本征热导率。
• 通过分析声子群速度与寿命，理解热输运中强烈各向异性的起源。
• 量化黑磷中不同晶向方向的有效声子平均自由程。

提出的方法

• 利用第一性原理计算得到的黑磷数据（包括晶格常数、结合能和声子色散关系）对Stillinger-Weber势能进行参数化。
• 在室温下使用优化后的势能参数进行平衡分子动力学模拟，以计算热导率。
• 采用晶格动力学计算方法，分析锯齿形与扶手椅形方向上的声子群速度与寿命。
• 通过格林-库伯公式对热流自相关函数进行计算，获得热导率。
• 通过热导率与比热、群速度及声子态密度乘积的比值，估算有效声子平均自由程。
• 通过将势能模型的预测结果与第一性原理计算所得的结构与振动性质进行对比，验证结果的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 单层黑磷在锯齿形与扶手椅形晶向方向上的热导率分别是多少？
• RQ2 为何黑磷在热输运性质上表现出如此强烈的各向异性？
• RQ3 声子群速度与寿命如何共同影响黑磷中方向依赖的热导率？
• RQ4 黑磷在锯齿形与扶手椅形方向上的有效声子平均自由程分别是多少？
• RQ5 是否能够准确地对Stillinger-Weber势能进行参数化，以复现第一性原理计算中黑磷的热学与振动性质？

主要发现

• 在室温下，单层黑磷在锯齿形方向上的热导率为152.7 W/mK，在扶手椅形方向上为33.0 W/mK。
• 锯齿形与扶手椅形方向之间热导率的各向异性比约为五倍。
• 强烈的各向异性主要源于声子群速度的巨大差异，而声子寿命仅表现出微弱的各向异性。
• 在锯齿形方向上，有效声子平均自由程为141.4 nm，在扶手椅形方向上为43.4 nm。
• 参数化的Stillinger-Weber势能模型能够准确复现第一性原理计算所得的晶体结构、结合能与声子色散关系。
• 本研究证实，声子群速度的各向异性在决定黑磷整体热导率各向异性方面起主导作用，远超过寿命各向异性的影响。