[论文解读] Temperature Dependence of Thermal Conductivity of Polycrystalline Graphene: Thermally Enhanced Kapitza Conductance

Young In Jhon, Myung S. Jhon|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2013

Thermal properties of materials参考文献 1被引用 3

一句话总结

本研究采用非平衡分子动力学模拟，探究多晶石墨烯的温度依赖性热导率，发现晶界处的卡皮察导率随温度升高而增加，从而抵消了无缺陷区域热导率的降低。当晶粒尺寸较小时（<30 nm），总热导率在300 K至500 K范围内保持稳定甚至上升，表明在纳米结构石墨烯中具有优异的热管理性能。

ABSTRACT

Graphene has drawn wide attention due to its exceptional thermal conductivity but complete understanding of thermal characteristics of polycrystalline graphene is still elusive to date. For the first time, herein, we have systematically studied the effect of temperature on the thermal conductance behavior of polycrystalline graphene for a range of grain sizes and grain boundary types, by using non-equilibrium molecular dynamics simulations. It is noted that increasing the tempera-ture remarkably enhances thermal boundary conductance (Kapitza conductance) across grain boundaries while it deteriorates thermal conductivities of defect-free grain regions, regardless of grain sizes and grain boundary types. This enhancement effect becomes more important for smaller grain sizes and higher temperatures, whose normal adverse effects on the heat transfer are thus ideally counterbalanced, making total thermal conductivity rather robust against the temperature increment for sufficiently small grain sizes. Upon heating from 300 to 500 K, thermal conductivity of graphene with maximally tilted grain boundaries decreases only by 9 % for a grain size of 50 nm in contrast to the decrease of 28 % for 250 nm, and further, it even increases below 30 nm. We presented quantitative mapping of its (grain, grain boundaries, and total) thermal conductivi-ties in terms with grain sizes and temperatures, providing a guideline for graphene-based thermal engineering and suggesting novel defect-based thermal architectures as well.

研究动机与目标

• 理解在不同晶粒尺寸和晶界类型下，多晶石墨烯热导率的温度依赖性。
• 解决温度对热传输产生矛盾影响的问题：无缺陷区域热导率降低，而晶界处导率增强。
• 识别在何种条件下总热导率在温度升高时保持稳定或提升。
• 为基于晶界工程的石墨烯热架构提供定量设计框架。

提出的方法

• 采用非平衡分子动力学（NEMD）模拟，对具有受控晶粒尺寸和边界类型的多晶石墨烯中的热传导进行建模。
• 在300 K至500 K的温度范围内进行模拟，以评估热导率和卡皮察导率的行为。
• 系统性地改变晶界类型，包括最大倾斜边界，以评估其对热传输的影响。
• 计算并绘制单个晶粒、晶界以及整个系统的热导率，作为晶粒尺寸和温度的函数。
• 分析重点在于晶粒区域声子散射与晶界处界面导率增强之间的竞争关系。
• 生成热导率的定量映射图，以指导热工程应用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多晶石墨烯中，随着温度升高，晶界处的卡皮察导率如何变化？
• RQ2 温度引起的界面导率增强在多大程度上能抵消无缺陷晶粒区域热导率的降低？
• RQ3 晶粒尺寸和晶界类型如何调节总热导率的净温度依赖性？
• RQ4 在特定纳米结构条件下，多晶石墨烯的热导率是否能在温度升高时保持稳定或增加？
• RQ5 在利用工程化晶界构建石墨烯基热架构时，会涌现出哪些设计原则？

主要发现

• 对于50 nm的晶粒尺寸，具有最大倾斜晶界的多晶石墨烯热导率在温度从300 K升至500 K时仅降低9%。
• 相比之下，对于250 nm的较大晶粒尺寸，热导率在同一温度范围内降低了28%，表明存在显著的晶粒尺寸依赖性。
• 当晶粒尺寸低于30 nm时，热导率实际上从300 K升至500 K时有所增加，打破了热导率随温度升高而降低的典型趋势。
• 发现晶界处卡皮察导率随温度升高而增强，是稳定总热导率的主要因素。
• 研究表明，热增强的界面导率可有效抵消晶粒区域的声子散射，尤其在小晶粒体系中表现显著。
• 定量映射显示，在小晶粒尺寸和工程化晶界条件下，多晶石墨烯可实现最优热性能，尤其是在高温环境下。