خواص گرمایی نانونوارهای لبه دندانه‌ای گرافنی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی کامل

نویسندگان

گروه فیزیک، دانشکده علوم، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران

چکیده

این مقاله به بررسی تئوری خواص گرمایی نانونوارهای لبه دندانه‌ای گرافنی، با لبه‌های آرمچیری و زیگزاگی در ابعاد و هندسه‌‌ی متفاوت می‌پردازد. به منظور محاسبه‌ی طیف پاشندگی فونونی، ظرفیت گرمایی و خواص انتقال گرما، از مدل ثابت نیرو با در نظر گرفتن چهار همسایه‌ی نزدیک و نظریه‌ی لاندائور استفاده شده است. نتایج محاسبات نشان می‌دهد که خواص گرمایی مورد مطالعه در مقایسه با نانونوارهای کامل به ویژه در فرکانس‌های پایین، تفاوت چشمگیری دارند؛ در مدهای آکوستیکی، رسانش گرمایی فونونی و ضریب عبور فونونی به علت ساختار متفاوت لبه‌ها در مقایسه با نانونوارهای کامل و در نتیجه پراکندگی فونونی از لبه‌ها کاهش می‌یابند. همچنین ظرفیت گرمایی نیز تغییرات قابل‌توجهی مشاهده شده است؛ محاسبه‌ی مدهای فونونی داخل و خارج از صفحه نیز نشان می‌دهد مدهای داخل صفحه نقش بیشتری در رسانش گرمایی دارند. این نتایج می‌تواند در بهینه‌سازی و طراحی نانوقطعات الکتر‌ونیکی و ترموالکتریکی مفید باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Thermal properties of graphene nanowiggles

نویسندگان [English]

  • Fereshte Masoodinia
  • Rouhollah Farghadan
University of Kashan
چکیده [English]

This paper studies the theory of thermal properties of graphene nanowiggles, with Zigzag edge and Armchair in different size and geometry. In order to calculate the phonon dispersion spectrum, specific heat and thermal conductivity properties, we use the four-nearest-neighbor force-constant model and Landauer theory calculations. The results show that the thermal properties studied differ significantly compared to complete nanoribbons, especially at low frequencies. In detail, in acoustic modes, the thermal conductivity and the transmission coefficient of the phonon reduce sensitively due to the special structures of the edge in compared to the perfect nanoribbons which causes the dispersion of the phonon from the edges. There are also significant changes in the of thermal capacity, and calculating the out-of-plane and in-plane phonon modes also shows that the in-plane phonon modes play a greater role in the thermal conductivity. These results can be useful in improvement and designing electronic and thermoelectric nanodevices.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Graphene nanowiggles
  • Phonon Transmission Coefficient
  • Phonon Thermal Capacity
  • Thermal Phonon Transport Coefficient
 

[1] A.A. Balandin, Thermal properties of graphene and nanostructured carbon materials, Nature materials 10 (2011) 569-581.

[2] H. Zhang, L. Geunsik, C. Kyeongjae, Thermal transport in graphene and effects of vacancy defects, Physical Review B 84 (2011) 115460.

[3] P. Xiao-Fang, et al, Tunable ballistic thermal conductance of electrons in strained graphene nanoribbons, Carbon 100 (2016) 36-41.

[4] H. Karamitaheri, et al, Engineering enhanced thermoelectric properties in zigzag graphene nanoribbons, Journal of Applied Physics 111 (2012) 054501.

[5] B. Liu, et al, Thermal conductivity of silicene nanosheets and the effect of isotopic doping, Journal of Physics D: Applied Physics 47(2014) 165301.

[6]E.C. Girão, et al, Structural and electronic properties of graphitic nanowiggles, Physical Review B 85 (2012) 235431.

[7] W. Huang, J.S. Wang, G. Liang, Theoretical study on thermoelectric properties of kinked graphene nanoribbons, Physical Review B 84 (2011) 045410.

[8] V.A. Saroka, et al, Band gaps in jagged and straight graphene nanoribbons tunable by an external electric field, Journal of Physics: Condensed Matter 27(2015) 145305.

[9] E.C. Girão, et al, Emergence of atypical properties in assembled graphene nanoribbons, Physical Review Letters 107 (2011) 135501.

[10] X. Wu, X.C. Zeng, Sawtooth-like graphene nanoribbon, Nano Research 1 (2008) 40-45.

[11] L. Liang, E.C. Girão, Vincent Meunier, Quasiparticle band gaps of graphene nanowiggles and their magnetism on Au (111), Physical Review B 88 (2013) 035420.

[12] R.A. Bizao, et al, Mechanical properties and fracture patterns of graphene (graphitic) nanowiggles, Carbon 119 (2017) 431-437.

[13] L. Liang, et al, Enhanced thermoelectric figure of merit in assembled graphene nanoribbons, Physical Review B86 (2012) 115438.

[14] E.C. Girão, E. Cruz-Silva, V. Meunier, Electronic transport properties of assembled carbon nanoribbons, ACS nano 6 (2012) 6483-6491.

[15] L. Liang, V. Meunier, Electronic and thermoelectric properties of assembled graphene nanoribbons with elastic strain and structural dislocation. Applied Physics Letters 102 (2013) 143101.

[16] H. Sevinçli, et al, A bottom-up route to enhance thermoelectric figures of merit in graphene nanoribbons, Scientific reports 3 (2013) 1228.

[17] W. Huang, J.S. Wang, G. Liang, Theoretical study on thermoelectric properties of kinked graphene nanoribbons, Physical Review B 84 (2011) 045410.

[18] P. Yang, et al, Thermal management performance of bent graphene nanoribbons, Rsc Advances 3 (2013) 17349-17354.

[19] ر. فرقدان، ف. مسعودی‌نیا، اثر تهی‌جای‌های گسترده بر خواص گرمایی نانونوارهای آرمچیری گرافن، مجلة پژوهش فیزیک ایران ۱۸ (۱۳۹۷) ۳۲۲-۳۲۹.

[20] R. Saito, G. Dresselhaus, M.S. Dresselhaus, Physical properties of carbon nanotubes London, Imperial college press, (1998).

[21] J. Zimmermann, P. Pasquale C. Gianaurelio, Vibrational modes and low-temperature thermal properties of graphene and carbon nanotubes: Minimal force-constant model, Physical Review B 78 (2008) 045410.

[22] Z. Ferdows, R. Lake, Thermoelectric properties of Bi 2 Te 3 atomic quintuple thin films, Applied Physics Letters97 (2010) 212102.

[23] C. Pan, J. He, D. Yang, K. Chen, Thermal Transport of Flexural and In-Plane Phonons Modulated by Bended Graphene Nanoribbons, Journal of Nanomaterials 2016 (2016) 6093673.