Konduktivitas Termal Alotrop Karbon 2D Baru dengan Cincin 558: Wawasan dari Dinamika Molekuler

Abstrak

Studi ini menyelidiki transport termal dari dua alotrop karbon dua dimensi baru yang diusulkan—octagon-pentagon graphene-line (OPG-L) dan octagon-pentagon graphene-zigzag (OPG-Z)—menggunakan simulasi dinamika molekuler terbalik dan seimbang. Konduktivitas termal (TC) bertambah stabil seiring dengan ukuran sampel; ekstrapolasi ke panjang tak hingga menghasilkan nilai 310–332 W m⁻¹ K⁻¹ untuk OPG-L dan 247–228 W m⁻¹ K⁻¹ untuk OPG-Z. Dibandingkan dengan grafen (≈ 3000–5000 W m⁻¹ K⁻¹), TC yang lebih rendah berasal dari kecepatan grup fonon dan bebas rata-rata yang dikurangi. Suhu dan regangan tarik secara sistematis menekan TC, menawarkan penyesuaian untuk aplikasi manajemen termal.

Pendahuluan

Alotrop karbon seperti berlian, nanoribbon karbon, dan grafen dipuji karena konduktivitas termal yang luar biasa, dengan nanoribbon tunggal dan grafen mencapai beberapa ribuan W m⁻¹ K⁻¹. Pekerjaan teoretika terbaru telah mengungkapkan sekaligus jaringan karbon 2D—grafine, octagraphene, T-graphene, dan H-net—masing-masing dengan motif cincin yang berbeda dan properti elektronik atau mekanik yang menjanjikan. Su et al. memperkenalkan dua lembar 2D yang efisien energi dan stabil kinetik yang terdiri dari oktagon dan pentagon (cincin 558). Struktur ini, OPG-L dan OPG-Z, memiliki energi pembentukan 0,31 dan 0,34 eV atom⁻¹, masing-masing, yang jauh lebih rendah dari grafine (0,76 eV atom⁻¹) dan menunjukkan perilaku elektronik anisotropik. Namun, karakteristik pelepasan panasnya masih belum dieksplorasi, yang memotivasi penelitian saat ini.

Model dan Metode

Model atom OPG-L (Gambar 1a) dan OPG-Z (Gambar 1b) dibangun dari ribuan 558 yang berulang, dengan kiritas yang didefinisikan secara analog dengan grafen (armchair dan zigzag). LAMMPS digunakan dengan potensi Tersoff yang dimodifikasi untuk menangkap interaksi C–C dengan akurat. Konstanta lattice keseimbangan yang diperoleh (OA = 3,63 Å, OB = 9,38 Å untuk OPG-L; OA = 6,78 Å, OB = 5,04 Å untuk OPG-Z) sejalan dengan hasil first-principles sebelumnya.

Dinamika molekuler non-seimbang terbalik (rNEMD) digunakan untuk menghitung TC. Setelah 0,25 ns penyeimbangan Nosé–Hoover pada 300 K, sampel dipartisi menjadi 50 slab sepanjang arah transfer panas. Atom terpanas di slab dingin dan atom terdingin di slab panas bertukar energi kinetik, menghasilkan flux panas stabil. Gradien suhu yang dihasilkan menghasilkan TC melalui hukum Fourier: \[ \kappa = \frac{J}{2A\,\partial T/\partial L} \] di mana faktor 2 mengakui aliran panas dua arah dan ketebalan diambil sebagai 0,34 nm, jarlap interlayer grafen.

Perhitungan MD seimbang (EMD) dilakukan menggunakan formalisme Green-Kubo. TC yang berjalan diperoleh dari fungsi autokorelasi flux panas, dan nilai tak hingga diekstrak dengan merata-rata-kan waktu korelasi 1–2 ns.

Hasil dan Pembahasan

Ketergantungan ukuran: TC meningkat monoton dengan panjang sampel efektif (L_eff = L/2). Untuk OPG-L 50-nm (zigzag) dan OPG-Z 1000 nm (zigzag), nilai TC adalah 125 dan 94 W m⁻¹ K⁻¹, masing-masing; pada 1000 nm mereka naik menjadi 296 dan 236 W m⁻¹ K⁻¹. Fitas linier dari κ⁻¹ versus L_eff⁻¹ memberikan ekstrapolasi TC tak hingga: 310–332 W m⁻¹ K⁻¹ untuk OPG-L dan 247–228 W m⁻¹ K⁻¹ untuk OPG-Z, sejalan dengan hasil EMD (313–344 W m⁻¹ K⁻¹ untuk OPG-L, 261–233 W m⁻¹ K⁻¹ untuk OPG-Z).

Efek suhu: Sepanjang 200–500 K, TC menurun karena pencaran Umklapp yang ditingkatkan. Dari 300 K ke 500 K, TC menurun sebesar 36–42%. Konduktivitas relatif mengikuti tren yang diamati dalam grafen, mengonfirmasi universalitas pencaran fonon-fonon dalam jaring 2D.

Efek regangan: Regangan tarik uniaksial yang diterapkan di sepanjang arah transfer panas secara monoton menekan TC dalam kedua alotrop. Pada regangan 10%, penurunan TC mencapai 49% (OPG-L zigzag) dan 31% (OPG-Z armchair). Analisis densitas keadaan getaran mengungkapkan lembutan fonon yang jelas pada mode dalam pesawat, yang mengakibatkan transport termal yang berkurang.

Properti mekanik: Di bawah tarikan uniaksial, OPG-L dan OPG-Z menunjukkan modulus Young sebesar 538–648 GPa dan 492–550 GPa, masing-masing, sebanding dengan grafine tetapi lebih rendah dari grafen murni. Regangan akhir mencapai 17,2% (OPG-L zigzag) dan 8,7% (OPG-L armchair), yang menunjukkan perilaku yang kuat namun sensitif terhadap regangan.

Kesimpulan

Melalui simulasi rNEMD dan EMD yang komprehensif, kami telah mengukur ketergantungan ukuran, suhu, dan regangan terhadap TC dalam OPG-L dan OPG-Z. Konduktivitas mereka jauh lebih rendah dari grafen karena kecepatan fonon dan bebas rata-rata yang dikurangi, namun tetap dapat disesuaikan melalui teknik regangan. Wawasan ini menetapkan OPG-L dan OPG-Z sebagai kandidat yang menjanjikan untuk manajemen termal yang disesuaikan dalam perangkat mikro- dan skala nano.

Singkatan

558

Cincin lima-lima-delapan anggota

OPG-L

Octagon dan pentagon graphene-line

OPG-Z

Octagon dan pentagon graphene-zigzag

rNEMD

Dinamika molekuler non-seimbang terbalik

TC

Konduktivitas termal

VDOS

Densitas keadaan getaran