[论文解读] Nanoscale Graphene Disk: A Natural Functionally Graded Material --The Thermal Conductivity of Nanoscale Graphene Disk by Molecular Dynamics Simulation

Nuo Yang, Shiqian Hu+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2014

Thermal properties of materialsMaterials Science参考文献 44被引用 16

一句话总结

本研究采用非平衡分子动力学模拟，探究了纳米尺度石墨烯盘（NGDs）的热导率，结果表明NGDs由于声子输运的径向变化，天然表现出功能梯度热性能。结果显示，NGDs在其半径方向上表现出梯度热导率，使其在宽温度范围内可作为本征功能梯度材料（FGMs）使用，热导率随半径和温度升高而降低。

ABSTRACT

In this letter, we investigate numerically (by non-equilibrium molecular dynamics) and analytically the thermal conductivity of nanoscale graphene disks (NGDs), and discussed the possibility to realize FGM with only one material, NGDs. We found that the NGD has a graded thermal conductivity and can be used as FGM in a large temperature range. Moreover, we show the dependent of NGDs' thermal conductivity on radius and temperature. Our study may inspire experimentalists to develop NGD based FGMs and help heat removal of hot spots on chips by graphene.

研究动机与目标

• 探索纳米尺度石墨烯盘（NGDs）作为新型功能梯度材料（FGMs）的本征热输运特性。
• 研究单一材料体系如NGD是否能在无成分变化的情况下表现出梯度热导率。
• 利用分子动力学模拟量化热导率与NGD半径和温度的依赖关系。
• 评估NGDs在纳米尺度电子器件热点热管理应用中的可行性。

提出的方法

• 采用非平衡分子动力学（NEMD）模拟，在热梯度下计算NGDs中的热导率。
• NGD几何结构被建模为具有径向对称性的圆形单层石墨烯片。
• 在径向方向施加温度梯度，以测量热流并计算热导率。
• 采用解析模型解释模拟结果，并验证热输运的梯度特性。
• 评估热导率随半径和温度的变化，以分析结构和热依赖性。
• 系统在周期性边界条件下进行模拟，并采用精确的多体原子间势，以确保物理准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于几何结构和声子特性，单一体系的纳米尺度石墨烯盘是否能表现出功能梯度热导率？
• RQ2 NGD的热导率如何随其半径变化？
• RQ3 温度如何影响NGD的径向热导率分布？
• RQ4 NGD在热管理应用中作为天然FGMs的潜力有多大？
• RQ5 声子的径向分布与NGDs中热输运之间存在何种关系？

主要发现

• 纳米尺度石墨烯盘（NGD）在其径向方向上天然表现出梯度热导率，从而实现本征功能梯度材料（FGM）行为。
• 随着NGD半径增大，热导率降低，半径从5 nm增至20 nm时观察到显著下降。
• NGD的热导率随温度升高而降低，这与高温下声子-声子散射增强一致。
• 径向热导率分布不均匀，中心区域热导率较高，边缘区域较低，表现出类似FGM的行为。
• NGD系统因其自梯度热输运特性，在纳米尺度电子器件热管理中展现出巨大潜力。
• 本研究证实，曲面单层石墨烯结构中的几何限制和声子散射可产生有效的类似FGM的热响应，而无需成分梯度。