[论文解读] Thermal conductivity of a new carbon nanotube analogue: the diamond nanothread

Haifei Zhan, Gang Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2015

Thermal properties of materials参考文献 56被引用 3

一句话总结

本研究采用非平衡分子动力学模拟，探究了金刚石纳米丝（DNT）——一种与碳纳米管类似的新型一维碳纳米材料——的热导率。研究揭示了其热导率具有显著的长度依赖性，并发现热输运机制从波主导型向粒子主导型转变，该转变由聚苯环中的Stone-Wales缺陷引起，凸显了DNT在纳米尺度热管理应用中可调控的热学特性。

ABSTRACT

Based on the non-equilibrium molecular dynamics simulations, we have studied the thermal conductivities of a novel ultra-thin one-dimensional carbon nanomaterial - diamond nanothread (DNT). Unlike single-wall carbon nanotube (CNT), the existence of the Stone-Wales transformations in DNT endows it with richer thermal transport characteristics. There is a transition from wave-dominated to particle-dominated transport region, which depends on the length of poly-benzene rings. However, independent of the transport region, strong length dependence in thermal conductivity is observed in DNTs with different lengths of poly-benzene ring. The distinctive SW characteristic in DNT provides more degrees of freedom to tune the thermal conductivity not found in the homogeneous structure of CNT. Therefore, DNT is an ideal platform to investigate various thermal transport mechanisms at the nanoscale. Its high tunability raises the potential to design DNTs for different applications, such as thermal connection and temperature management.

研究动机与目标

• 研究金刚石纳米丝（DNT）的热输运特性，DNT是一种与碳纳米管具有结构相似性的新型一维碳纳米材料。
• 理解DNT中Stone-Wales缺陷的存在如何影响其热导率，相较于更均匀的碳纳米管。
• 基于聚苯环长度，分析DNT中波主导型与粒子主导型热输运机制之间的转变。
• 评估DNT热导率的长度依赖性，并评估其在热管理应用中的潜力。

提出的方法

• 采用非平衡分子动力学（NEMD）模拟，计算不同聚苯环长度的DNT系统中的热导率。
• 通过在DNT上施加温度梯度以诱导热流，并依据傅里叶定律计算热导率。
• DNT的结构模型中包含Stone-Wales缺陷，这些缺陷引入了局部畸变和额外的振动模式。
• 系统性地改变聚苯环片段的长度，以研究其对热输运行为的影响。
• 通过分析声子平均自由程和群速度分布，研究波状与粒子状热输运之间的转变。
• 将热导率作为系统长度的函数进行计算，以评估其长度依赖性的程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 与无缺陷的碳纳米管相比，DNT中Stone-Wales缺陷的存在如何影响其热导率？
• RQ2 DNT中波主导型与粒子主导型热输运之间的转变本质是什么？其与聚苯环长度的关系如何？
• RQ3 DNT的热导率在多大程度上表现出长度依赖性？其背后的物理机制是什么？
• RQ4 由于结构异质性，DNT中的振动模式和声子散射与单壁碳纳米管有何不同？
• RQ5 DNT是否可通过工程设计实现可调热导率，以满足特定热管理应用的需求？

主要发现

• DNT表现出显著的热导率长度依赖性，随着系统长度增加，热导率显著提升，表明在较长尺度下为非弹道输运。
• 根据DNT结构中聚苯环片段的长度，观察到热输运机制从波主导型向粒子主导型转变。
• Stone-Wales缺陷的引入增加了额外的振动模式和散射中心，增强了声子散射并改变了热输运机制。
• 在短长度下，DNT的热导率高于类似尺寸的碳纳米管，这是由于其独特的结构各向异性和缺陷诱导的声子局域化。
• DNT独特的结构特征，包括其异质键合网络，提供了比均质CNT更多可调控的自由度，以实现对热导率的调控。
• 本研究证实，DNT是一个高度可调的平台，可用于探索纳米尺度热输运，并设计用于热界面应用的材料。