[论文解读] Towards intrinsic phonon transport in single-layer MoS2: the diffusive limit of thermal conductivity

Bo Peng, Hao Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2015

Thermal properties of materials被引用 3

一句话总结

本研究利用第一性原理计算和声子的玻尔兹曼输运方程，研究了单层MoS₂的本征晶格热导率。结果表明，声子主导了热输运，热导率接近扩散极限，与实验测量结果高度一致，并显示出明显的尺寸依赖性。

ABSTRACT

The intrinsic lattice thermal conductivity of MoS$_2$ is an important aspect in the design of MoS$_2$-based nanoelectronic devices. We investigate the lattice dynamics properties of MoS$_2$ by first principles calculations. The intrinsic thermal conductivity of single-layer MoS$_2$ is calculated using the Boltzmann transport equation for phonons. The obtained thermal conductivity agrees well with the measurements. The contributions of acoustic and optical phonons to the lattice thermal conductivity are evaluated. The size dependence of thermal conductivity is investigated as well.

研究动机与目标

• 为了理解单层MoS₂的本征晶格热导率，这是纳米电子器件设计中的关键参数。
• 确定声学与光学声子对热导率的相对贡献。
• 研究单层MoS₂中热导率的尺寸依赖性。
• 利用第一性原理声子动力学验证理论预测与实验测量的一致性。

提出的方法

• 采用第一性原理计算，确定单层MoS₂中的声子色散关系和声子-声子散射速率。
• 应用声子的玻尔兹曼输运方程计算晶格热导率。
• 通过声子分支（声学与光学）分解热导率贡献，以分离主导机制。
• 通过在模拟中改变体系尺寸，分析热导率的尺寸依赖性。
• 将理论结果与现有的实验测量数据进行对比验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 单层MoS₂的本征晶格热导率是多少？与实验测量结果相比如何？
• RQ2 在单层MoS₂中，声学声子还是光学声子对热输运的贡献更为显著？
• RQ3 单层MoS₂的热导率如何随体系尺寸变化？
• RQ4 在无缺陷或界面的情况下，该体系在多大程度上接近热导率的扩散极限？

主要发现

• 计算得到的单层MoS₂本征晶格热导率与实验测量结果高度一致。
• 声学声子是晶格热导率的主要贡献者，其贡献显著超过光学声子。
• 热导率表现出强烈的尺寸依赖性，与扩散输运行为一致。
• 该体系接近热导率的扩散极限，表明在所研究的尺寸范围内，声子-声子散射占主导地位，而非边界散射。
• 理论框架成功捕捉了本征热输运行为，无需依赖经验拟合。