[论文解读] Thermal conductivity of graphene kirigami: ultralow and strain robustness

Ning Wei, Yang Chen+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2015

Graphene research and applications参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究通过非平衡分子动力学模拟表明，石墨烯 kirigami（GNR-k）的热导率极低——相比原始石墨烯纳米带（~151.6 Wm⁻¹K⁻¹）降低了两个数量级，降至约 5.1 Wm⁻¹K⁻¹），主要归因于热流路径延长、有效传热面积减小以及边缘空位处的声子散射。该结构还表现出优异的应变鲁棒性，在形变下仍能保持低热导率，表明其在纳米尺度热管理与热电应用中的潜力。

ABSTRACT

Kirigami structure, from the macro- to the nanoscale, exhibits distinct and tunable properties from original 2-dimensional sheet by tailoring. In present work, the extreme reduction of the thermal conductivity by tailoring sizes in graphene nanoribbon kirigami (GNR-k) is demonstrated using nonequilibrium molecular dynamics simulations. The results show that the thermal conductivity of GNR-k (around 5.1 Wm-1K-1) is about two orders of magnitude lower than that of the pristine graphene nanoribbon (GNR) (around 151.6 Wm-1K-1), while the minimum value is expected to be approaching zero in extreme case from our theoretical model. To explore the origin of the reduction of the thermal conductivity, the micro-heat flux on each atoms of GNR-k has been further studied. The results attribute the reduction of the thermal conductivity to three main sources as: the elongation of real heat flux path, the overestimation of real heat flux area and the phonon scattering at the vacancy of the edge. Moreover, the strain engineering effect on the thermal conductivity of GNR-k and a thermal robustness property has been investigated. Our results provide physical insights into the origins of the ultralow and robust thermal conductivity of GNR-k, which also suggests that the GNR-k can be used for nanaoscale heat management and thermoelectric application.

研究动机与目标

• 研究石墨烯纳米带 kirigami（GNR-k）结构的热输运特性。
• 理解 GNR-k 相较于原始石墨烯纳米带热导率显著降低的物理机制。
• 评估应变工程对 GNR-k 中热导率的影响。
• 探索 GNR-k 在纳米尺度热管理与热电应用中的潜力。

提出的方法

• 采用非平衡分子动力学（NEMD）模拟计算 GNR-k 结构的热导率。
• 分析每个原子的微热流，以识别局部热输运行为。
• 系统性地改变结构参数，如纳米带尺寸、边缘空位密度和几何形状，以研究其影响。
• 建立理论模型，预测在极端情况下热导率趋近于零的最小值。
• 对 GNR-k 施加应变，以评估其对热导率及鲁棒性的影响。
• 评估边缘空位处的声子散射机制，以解释热输运的降低。

实验结果

研究问题

• RQ1 与原始石墨烯纳米带相比，石墨烯 kirigami 的热导率降低程度如何？
• RQ2 导致 GNR-k 中热导率降低的主要物理机制是什么？
• RQ3 机械应变如何影响 GNR-k 结构的热导率？
• RQ4 GNR-k 是否能在机械形变下保持超低热导率，表现出应变鲁棒性？
• RQ5 GNR-k 的热导率理论极限是多少？其与结构设计的尺度关系如何？

主要发现

• GNR-k 的热导率降低至约 5.1 Wm⁻¹K⁻¹，相比原始石墨烯纳米带（~151.6 Wm⁻¹K⁻¹）降低了两个数量级。
• 根据理论模型，GNR-k 的最小热导率在极端结构调制下可趋近于零。
• 热导率降低主要由三个因素导致：实际热流路径延长、有效热流面积被高估，以及边缘空位处的声子散射。
• GNR-k 展现出应变鲁棒性，在施加应变后仍能保持超低热导率，表明其在柔性热应用中具有稳定性。
• 本研究识别出边缘工程与结构设计是实现二维材料中可调、超低热导率的有效策略。
• 结果表明，GNR-k 是纳米尺度热电器件与热管理系统中极具前景的候选材料。