[论文解读] Probing the ideal limit of interfacial thermal conductance in two-dimensional van der Waals heterostructures

Ting Liang, Ke Xu+10 more|ArXiv.org|Feb 19, 2025

Thermal properties of materials被引用 3

一句话总结

论文开发了一种机器学习势，进行大规模非平衡分子动力学（NEMD）模拟，揭示了二维 Gr/h-BN异质结构的理想界面热导率（ITC）范围，并给出与莫尔条纹相关的叠层序列依赖的 ITC 层级结构。

ABSTRACT

Probing the ideal limit of interfacial thermal conductance (ITC) in two-dimensional (2D) heterointerfaces is of paramount importance for assessing heat dissipation in 2D-based nanoelectronics. Using graphene/hexagonal boron nitride (Gr/$h$-BN), a structurally isomorphous heterostructure with minimal mass contrast, as a prototype, we develop an accurate yet highly efficient machine-learned potential (MLP) model, which drives nonequilibrium molecular dynamics (NEMD) simulations on a realistically large system with over 300,000 atoms, enabling us to report the ideal limit range of ITC for 2D heterostructures at room temperature. We further unveil an intriguing stacking-sequence-dependent ITC hierarchy in the Gr/$h$-BN heterostructure, which can be connected to moiré patterns and is likely universal in van der Waals layered materials. The underlying atomic-level mechanisms can be succinctly summarized as energy-favorable stacking sequences facilitating out-of-plane phonon energy transmission. This work demonstrates that MLP-driven MD simulations can serve as a new paradigm for probing and understanding thermal transport mechanisms in 2D heterostructures and other layered materials.

研究动机与目标

• 理解二维纳米电子学在二维异质界面散热的需求
• 建立一个准确高效的计算框架，用于量化二维范德瓦尔斯界面的理想 ITC
• 以 Gr/h-BN 作为在结构同构、质量对比最小的原型
• 揭示叠层顺序如何影响 ITC，并将其与莫尔条纹联系起来

提出的方法

• 开发并训练适用于二维 vdW 异质结构的机器学习势（MLP）
• 对含超过 300,000 原子的体系进行非平衡分子动力学（NEMD）模拟
• 在室温下计算二维异质结构的理想 ITC 区间
• 研究叠层顺序依赖的 ITC，并将发现与莫尔条纹效应联系起来
• 将原子层面的机制解读为促进晶格纵向声子传输的能量有利叠层序列

实验结果

研究问题

• RQ1 二维 Gr/h-BN 2D 异质结构在室温下的理想界面热导率范围是多少？
• RQ2 Gr/h-BN 中叠层顺序如何影响 ITC，莫尔纹模式是否能解释观察到的层级？
• RQ3 有哪些原子层面对 Gr/h-BN 界面的能量传输起作用？
• RQ4 机器学习势是否能实现准确的大规模 MD 用于研究二维异质结构中的热传输？

主要发现

• 一个准确高效的 MLP 使对超过 30 万原子的系统进行 NEMD 成为可能，从而确定 ITC 极限
• Gr/h-BN 中出现叠层顺序依赖的 ITC 层级，可能与莫尔纹模式相关
• 有利的叠层序列促进垂向声子的能量传输，从而提升 ITC
• 基于 ML 驱动的 MD 是揭示二维异质结构热传输机制的可行范式