Conductivité thermique de nouveaux allotropes 2D de carbone à anneaux 558 : insights de dynamique moléculaire

Résumé

Cette étude investigue le transport thermique de deux allotropes de carbone bidimensionnels nouvellement proposés — graphène-ligne octagone-pentagone (OPG-L) et graphène-zigzag octagone-pentagone (OPG-Z) — en utilisant des simulations de dynamique moléculaire hors équilibre inverse et à l'équilibre. La conductivité thermique (CT) croît régulièrement avec la taille d'échantillon ; l'extrapolation à longueur infinie donne des valeurs de 310–332 W m⁻¹ K⁻¹ pour OPG-L et 247–228 W m⁻¹ K⁻¹ pour OPG-Z. Comparé au graphène (≈ 3000–5000 W m⁻¹ K⁻¹), la CT plus faible provient de vitesses de groupe phononiques et de parcours libres moyens réduits. La température et la contrainte de traction suppriment systématiquement la CT, offrant une ajustabilité pour applications de gestion thermique.

Introduction

Les allotropes de carbone tels que le diamant, les nanotubes de carbone et le graphène sont célébrés pour leur conductivité thermique exceptionnelle, avec les nanotubes mono-paroi et le graphène atteignant plusieurs milliers de W m⁻¹ K⁻¹. Des travaux théoriques récents ont dévoilé une multitude de réseaux 2D de carbone — graphyne, octagraphène, T-graphène et H-net — chacun avec des motifs d'anneaux distincts et des propriétés électroniques ou mécaniques prometteuses. Su et al. ont introduit deux feuilles 2D énergétiquement favorables, cinétiquement stables composées d'octagones et de pentagones (anneaux 558). Ces structures, OPG-L et OPG-Z, possèdent des énergies de formation de 0,31 et 0,34 eV atome⁻¹, respectivement, substantiellement inférieures au graphyne (0,76 eV atome⁻¹) et exhibent un comportement électronique anisotrope. Cependant, leurs caractéristiques de dissipation thermique restent inexplorées, motivant la présente investigation.

Modèle et Méthodes

Les modèles atomiques d'OPG-L (Fig. 1a) et OPG-Z (Fig. 1b) sont construits à partir de rubans 558 répétés, avec une chiralité définie analogiquement au graphène (armchair et zigzag). LAMMPS était employé avec un potentiel Tersoff optimisé modifié pour capturer précisément les interactions C-C. Les constantes de réseau d'équilibre obtenues (OA = 3,63 Å, OB = 9,38 Å pour OPG-L ; OA = 6,78 Å, OB = 5,04 Å pour OPG-Z) s'accordent avec les résultats premiers principes antérieurs.

La dynamique moléculaire hors équilibre inverse (rNEMD) était utilisée pour calculer la CT. Après 0,25 ns d'équilibration Nosé-Hoover à 300 K, l'échantillon était partitionné en 50 tranches le long de la direction de transfert de chaleur. L'atome le plus chaud dans la tranche froide et l'atome le plus froid dans la tranche chaude échangeaient l'énergie cinétique, générant un flux de chaleur stationnaire. Le gradient de température résultant donne la CT via la loi de Fourier : \[ \kappa = \frac{J}{2A\,\partial T/\partial L} \] où le facteur 2 tient compte du flux de chaleur bi-directionnel et l'épaisseur est prise à 0,34 nm, l'espacement inter-couche du graphène.

Les calculs MD à l'équilibre (EMD) étaient effectués en utilisant le formalisme Green-Kubo. La CT courante était obtenue à partir de la fonction d'autocorrélation du flux de chaleur, et les valeurs à taille infinie étaient extraites en moyennant sur 1–2 ns de temps de corrélation.

Résultats et Discussions

Dépendance en taille : La CT augmente monotoniqement avec la longueur d'échantillon effective (L_eff = L/2). Pour OPG-L (zigzag) et OPG-Z (zigzag) de 50 nm, les valeurs de CT sont 125 et 94 W m⁻¹ K⁻¹, respectivement ; à 1000 nm elles montent à 296 et 236 W m⁻¹ K⁻¹. Les ajustements linéaires de κ⁻¹ versus L_eff⁻¹ fournissent la CT extrapolée à taille infinie : 310–332 W m⁻¹ K⁻¹ pour OPG-L et 247–228 W m⁻¹ K⁻¹ pour OPG-Z, en excellent accord avec les résultats EMD (313–344 W m⁻¹ K⁻¹ pour OPG-L, 261–233 W m⁻¹ K⁻¹ pour OPG-Z).

Effet de température : Entre 200–500 K, la CT diminue due à la diffusion Umklapp accrue. De 300 K à 500 K, la CT chute de 36–42 %. Les conductivités relatives suivent la tendance observée dans le graphène, confirmant l'universalité de la diffusion phonon-phonon dans les réseaux 2D.

Effet de contrainte : Une contrainte de traction uniaxiale appliquée le long de la direction de transfert de chaleur supprime monotoniqement la CT dans les deux allotropes. À 10 % de contrainte, les réductions de CT atteignent 49 % (OPG-L zigzag) et 31 % (OPG-Z armchair). L'analyse de la densité d'états vibrationnels révèle un ramollissement phononique prononcé dans les modes dans le plan, expliquant le transport thermique diminué.

Propriétés mécaniques : Sous tension uniaxiale, OPG-L et OPG-Z exhibent des modules de Young de 538–648 GPa et 492–550 GPa, respectivement, comparables au graphyne mais inférieurs au graphène pur. Les déformations ultimes atteignent 17,2 % (OPG-L zigzag) et 8,7 % (OPG-L armchair), indiquant un comportement robuste mais sensible à la contrainte.

Conclusions

À travers des simulations rNEMD et EMD complètes, nous avons quantifié la dépendance en taille, température et contrainte de la CT dans OPG-L et OPG-Z. Leurs conductivités sont nettement inférieures à celle du graphène en raison de vitesses phononiques et parcours libres moyens réduits, mais restent ajustables via l'ingénierie de contrainte. Ces insights établissent OPG-L et OPG-Z comme candidats prometteurs pour une gestion thermique sur mesure dans les dispositifs micro- et nanoscopiques.

Abréviations

558

Anneaux à cinq-cinq-huit membres

OPG-L

Octagone et pentagone graphène-ligne

OPG-Z

Octagone et pentagone graphène-zigzag

rNEMD

Dynamique moléculaire hors équilibre inverse

CT

Conductivité thermique

VDOS

Densité d'états vibrationnels