[论文解读] Thermal transport in van der Waals graphene/boron-nitride structure: a molecular dynamics study

M. Sadegh Alborzi, Ali Rajabpour|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2021

Graphene research and applications参考文献 43被引用 11

一句话总结

本研究采用非平衡分子动力学（NEMD）方法，结合Tersoff势和Lennard-Jones势，研究双层石墨烯/六方氮化硼及石墨烯/六方氮化硼范德华异质结中的热输运行为。结果表明，热导率随体系长度增加而提升，且异质结的热导率优于单层石墨烯和六方氮化硼，有效热导率达361 W/mK，高于单层石墨烯（321 W/mK）和六方氮化硼（159 W/mK），但低于双层石墨烯/六方氮化硼（422 W/mK）。

ABSTRACT

Among the van der Waals heterostructures, graphene/h-BN heterostructure is an appropriate candidate for 2D nanoelectronic devices. In this paper, using non-equilibrium molecular dynamics simulation approach, heat transport in bilayer graphene/h-BN and graphene/h-BN van der Waals heterostructure (i.e. h-BN flakes periodically inserted on the top and bottom of a graphene layer) are explored. The results show that by increasing the length of the system, the thermal conductivity of bilayer graphene/h-BN increases. Furthermore, it was revealed that heat transport in graphene/h-BN heterostructure enhances compared to that in monolayer graphene or monolayer h-BN. The size effect analysis shows that the heat fluxes passing through each layer in bilayer graphene/h-BN converges when the size of the system is larger than 100 nm. The results can improve the understanding heat transfer phenomena in the van der Waals heterostructures and improve designing of heterostructures for better thermal management and heat dissipation.

研究动机与目标

• 研究双层石墨烯/六方氮化硼异质结中热导率的长度依赖性。
• 比较石墨烯/六方氮化硼异质结与单层石墨烯、单层六方氮化硼及双层石墨烯/六方氮化硼的热输运性能。
• 评估范德华相互作用及层结构配置在二维纳米尺度热管理中的作用。
• 为二维纳米电子器件的热管理提供设计指导。

提出的方法

• 采用非平衡分子动力学（NEMD）模拟计算热导率。
• 使用Tersoff势描述石墨烯和六方氮化硼的面内相互作用，Lennard-Jones势模拟层间范德华力。
• 改变体系长度以研究尺寸效应，分析长度最高达30 nm的体系。
• 利用二维能量通量分布图比较石墨烯与六方氮化硼层间的热传导性能。
• 基于串联热阻模型计算有效热导率。
• 通过将NEMD结果与等效电路近似进行对比，验证热阻模型的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 体系长度如何影响双层石墨烯/六方氮化硼的热导率？
• RQ2 在双层石墨烯/六方氮化硼体系中，石墨烯与六方氮化硼层间的热通量分布有何差异？
• RQ3 石墨烯/六方氮化硼异质结的热输运性能与单层石墨烯和单层六方氮化硼相比如何？
• RQ4 石墨烯/六方氮化硼异质结的有效热导率是多少？与双层石墨烯/六方氮化硼相比有何差异？
• RQ5 范德华相互作用在异质结界面热阻中起多大作用？

主要发现

• 双层石墨烯/六方氮化硼的热导率随体系长度增加而提升，并在长度超过100 nm后趋于收敛。
• 在无限长条件下，双层结构的有效热导率达1111 ± 50 W/mK。
• 在石墨烯/六方氮化硼异质结中，有效热导率为361 W/mK，高于单层石墨烯（321 W/mK）和单层六方氮化硼（159 W/mK）。
• 石墨烯/六方氮化硼异质结的热导率低于双层石墨烯/六方氮化硼（422 W/mK），表明连续层结构可增强热输运性能。
• 在短尺度下，石墨烯层的热通量占主导，但随着体系尺寸增大，石墨烯与六方氮化硼层间的热通量差异逐渐减小。
• 当层间相互作用强度降低时，NEMD结果与等效热电路模型结果之间的差异减小，证实了界面热阻的关键作用。