[论文解读] Molecular dynamics simulations of thermal conductivity and spectral phonon relaxation time in suspended and supported graphene

Bo Qiu, Xiulin Ruan|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2011

Thermal properties of materials参考文献 31被引用 108

一句话总结

本研究采用分子动力学模拟结合谱能量密度分析，探究悬浮与支撑单层石墨烯中的热导率及声子弛豫时间。结果表明，在悬浮石墨烯中，面外声子（ZA）对热导率的贡献达25–30%，与以往假设相反；而基底支撑使ZA贡献降低至约15%，导致面内声子模式在支撑体系中占主导地位。

ABSTRACT

We perform molecular dynamics (MD) simulations with phonon spectral analysis aiming at understanding the two dimensional (2D) thermal transport in suspended and supported graphene. Within the framework of equilibrium MD simulations, we perform spectral energy density (SED) analysis to obtain the lifetime of individual phonon modes. The per-mode contribution to thermal conductivity is then calculated to obtain the lattice thermal conductivity in the temperature range 300-650 K. In contrast to prior studies, our results suggest that the contribution from out-of-plane acoustic (or ZA) branch to thermal conductivity is around 25-30% in suspended single-layer graphene (SLG) at room temperature. The thermal conductivity is found to reduce when SLG is put on amorphous SiO2 substrate. Such reduction is attributed to the strengthened scattering in all phonon modes in the presence of the substrate. Among them, ZA modes are mostly affected with their contribution to thermal conductivity reduced to around 15%. As a result, thermal transport is dominated by in-plane acoustic phonon modes in supported SLG.

研究动机与目标

• 解决长期存在的关于悬浮石墨烯中面外（ZA）声子对热导率相对贡献的争议。
• 量化基底相互作用如何降低支撑石墨烯中声子平均自由程与热导率。
• 提供对悬浮与支撑单层石墨烯中声子散射机制的模式分辨理解。
• 通过声子分布与寿命的量子修正，将模拟结果与实验数据进行验证。

提出的方法

• 采用具有面内周期性边界条件与自由面外运动的平衡态分子动力学（MD）模拟。
• 使用优化的Tersoff（OPT）和REBO势能描述C–C相互作用，Tersoff势能描述SiO2，Lennard-Jones势能描述C–Si/C–O范德华相互作用。
• 应用谱能量密度（SED）分析，从速度自相关函数中提取各声子模式的寿命与平均自由程。
• 通过加权各模式的群速度与寿命，计算晶格热导率。
• 通过匹配经典系统与量子系统中声子占据分布，对经典MD结果施加量子修正。
• 通过能量等效的温度标度法，校正声子寿命与热导率估算值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在悬浮单层石墨烯中，面外声学（ZA）声子对热导率的贡献是多少？
• RQ2 非晶态SiO2基底的存在如何影响石墨烯的声子弛豫时间与热导率？
• RQ3 为何支撑石墨烯的热导率低于悬浮石墨烯？哪些声子模式受影响最大？
• RQ4 在室温下，量子修正在多大程度上提升了经典MD模拟对石墨烯中声子性质的准确性？
• RQ5 三阶及以上非谐相互作用在悬浮石墨烯中如何影响ZA声子的耦合与散射？

主要发现

• 在300–650 K温度范围内，悬浮单层石墨烯中ZA声子对总晶格热导率的贡献约为25–30%。
• 非晶态SiO2基底的存在使ZA声子对热导率的贡献降低至约15%，显著抑制了其作用。
• 在支撑石墨烯中，热导率主要由面内声学（TA与LA）声子主导，因面外模式的散射增强。
• 所有声子模式在基底上均表现出平均自由程与寿命的降低，其中ZA模式受抑制最显著，归因于对称性破缺与界面耦合。
• 结合SED分析与量子修正的MD模拟结果，与实验测得的声子寿命及热导率值具有良好一致性。
• 使用OPT与REBO势能可获得一致的定性趋势，但与OPT相比，REBO将绝对热导率值低估约50%。