Розрахунок теплопровiдностi a-SiO2 та нанокомпозита на його основi методом молекулярної динамiки

Автор(и)

  • V. V. Kuryliuk Taras Shevchenko National University of Kyiv, Faculty of Physics
  • S. S. Semchuk Taras Shevchenko National University of Kyiv, Faculty of Physics

DOI:

https://doi.org/10.15407/ujpe61.09.0835

Ключові слова:

коефiцiєнт теплопровiдностi, молекулярна динамiка, нанокомпозит, аморфний SiO2, нанокристал

Анотація

За допомогою методу нерiвноважної молекулярної динамiки розраховано теплопровiднiсть аморфного SiO2 в широкому iнтервалi температур з використанням емпiричних потенцiалiв мiжатомної взаємодiї Бiста–Крамера–Сентена, Терсоффа та Вашишти. З використанням потенцiалу Терсоффа розраховано теплопровiднiсть композита на основi аморфного SiO2 з нанокристалами Si. Показано, що зi збiльшенням об’ємної частки кремнiєвих нанокристалiв теплопровiднiсть нанокомпозита спочатку зменшується, досягає мiнiмуму i починає поступово зростати. Отриманi результати пояснено з точки зору розсiювання теплових коливань на межах подiлу матриця–нанокристал.

Посилання

Silica: Physical Behavior, Geochemistry, and Materials Applications. Series: Reviews in Mineralogy, Vol. 29, edited by P.J. Heaney, C.T. Prewitt, and G.V. Gibbs (Min-eral. Soc. of America, 1994).

A.A. Balandin, Thermal properties of graphene and nanos-tructured carbon materials, Nat. Mater. 10, 569 (2011) https://doi.org/10.1038/nmat3064

Z.-Y. Ong and E. Pop, Molecular dynamics simulation of thermal boundary conductance between carbon nan-otubes and SiO2, Phys. Rev. B 81, 155408 (2010) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.81.155408

H.-T. Chang, C.-C. Wang, J.-C. Hsu, M.-T. Hung, P.-W. Li, and S.-W. Lee, High quality multifold Ge/Si/Ge composite quantum dots for thermoelectric materials,Appl. Phys. Lett. 102, 101902 (2013) https://doi.org/10.1063/1.4794943

O. Korotchenkov, A. Nadtochiy, V. Kuryliuk, C.-C. Wang, P.-W. Li, and A. Cantarero, Thermoelectric energy conver-sion in layered structures with strained Ge quantum dots grown on Si surfaces, Eur. Phys. J. B 87, 64 (2014) https://doi.org/10.1140/epjb/e2014-50074-8

H.-T. Chang, S.-Y. Wang, and S. Wei, Designer Ge/Si com-posite quantum dots with enhanced thermoelectric properties Nanoscale 6, 3593 (2014) https://doi.org/10.1039/c3nr06335f

A. Majumdar, Thermoelectricity in semiconductor nanos-tructures, Science 303, 777 (2004) https://doi.org/10.1126/science.1093164

R.C. Zeller and R.O. Pohl, Thermal conductivity and specific heat of noncrystalline solids, Phys. Rev. B 4, 2029 (1971) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.4.2029

J.J. Freeman and A.C. Anderson, Thermal conductivity of amorphous solids, Phys. Rev. B 34, 5684 (1986) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.34.5684

P.B. Allen and J.L. Feldman, Thermal conductivity of glasses: theory and application to amorphous Si, Phys. Rev. B 62, 645 (1989) https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.62.645

P.B. Allen, J.L. Feldman, J. Fabian, and F. Wooten, Dif-fusons, locons and propagons: Character of atomic vibra-tions in amorphous Si, Philos. Mag. B 79, 1715 (1999) https://doi.org/10.1080/13642819908223054

V. Kuryliuk, A. Nadtochiy, O. Korotchenkov, C.-C. Wang, and P.-W. Li, A model for predicting the thermal con-ductivity of SiO2/Ge nanoparticle composites, Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 13429 (2015) https://doi.org/10.1039/C5CP00129C

S. Shenogin,A. Bodapati, P.Keblinski, andA.J.H.McGau-ghey, Predicting the thermal conductivity of inorganic and polymeric glasses: The role of anharmonicity, J. Appl. Phys. 105, 034906 (2009) https://doi.org/10.1063/1.3073954

X. Li and R. Yang, Equilibrium molecular dynam-ics simulations for the thermal conductivity of Si/Ge nanocomposites, J. Appl. Phys. 113, 104306 (2013) https://doi.org/10.1063/1.4794815

J.B. Haskins, A. Kinaci, and T. Cagin, Thermal conduc-tivity of Si-Ge quantum dot superlattices, Nanotechno-logy 22, 155701 (2011) https://doi.org/10.1088/0957-4484/22/15/155701

M.-J. Huang and T.-M. Chang, Thermal transport within quantum-dot nanostructured semiconductors, Int. J. Heat Mass Tran. 55, 2800 (2012) https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.02.001

B.W.H. van Beest, G.J. Kramer, and R.A. van Santen, Force fields for silicas and aluminophosphates based on ab initio calculations, Phys. Rev. Lett. 64, 1955 (1990) https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.64.1955

P. Jund and R. Jullien, Molecular-dynamics calculation of the thermal conductivity of vitreous silica, Phys. Rev. B 59, 13707 (1999) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.59.13707

A.J.H. McGaughey and M. Kaviany, Thermal conduc-tivity decomposition and analysis using molecular dynamics simulations: Part II. Complex silica structures, Int. J. Heat Mass Tran. 47, 1799 (2004) https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2003.11.009

S. Munetoh, T. Motooka, K. Moriguchi, and A. Shintani, Interatomic potential for Si-O systems using Tersoff pa-rameterization, Comput. Mater. Sci. 39, 334 (2007) https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2006.06.010

J. Tersoff, Modeling solid-state chemistry: Interatomic po-tentials for multicomponent systems, Phys. Rev. B 39, 5566 (1989) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.39.5566

J. Yeo, Z.S. Liu, and T.Y. Ng, Enhanced thermal char-acterization of silica aerogels through molecular dynam-ics simulation, Model. Simul. Mater. Sci. Eng. 21, 075004 (2013) https://doi.org/10.1088/0965-0393/21/7/075004

P. Vashishta, R.K. Kalia, J.P. Rino, and I. Ebbsjo, In-teraction potential for SiO2: A molecular-dynamics study of structural correlations, Phys. Rev. B 41, 12197 (1990) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.41.12197

S. Plimpton, Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics, J. Comp. Phys. 117, 1 (1995) https://doi.org/10.1006/jcph.1995.1039

F. M?uller-Plathe, A simple nonequilibrium molecular dy-namics method for calculating the thermal conductivity, J. Chem. Phys. 106, 608 (1997) https://doi.org/10.1063/1.473271

C.Z. Wang, C.T. Chan, and K.M. Ho, Tight-binding molecular-dynamics study of phonon anharmonic effects in silicon and diamond, Phys. Rev. B 42, 11276 (1990) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.42.11276

D.G. Cahill, Thermal conductivity measurement from 30 to 750 K: the 3w method, Rev. Sci. Instrum. 61, 802 (1990) https://doi.org/10.1063/1.1141498

J.M. Carpenter and D.L. Price, Correlated motions in glasses studied by coherent inelastic neutron scattering, Phys. Rev. Lett. 54, 441 (1985) https://doi.org/10.1103/Phys-RevLett.54.441

UJP 2016 V610 #9uk

Завантаження

Опубліковано

2019-01-05

Номер

Том 61 № 9 (2016)

Розділ

Наносистеми

Ліцензія

Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна

Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:

1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.

2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.

3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.

4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.

5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.

6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.

Як цитувати

Розрахунок теплопровiдностi a-SiO2 та нанокомпозита на його основi методом молекулярної динамiки. (2019). Український фізичний журнал, 61(9), 835. https://doi.org/10.15407/ujpe61.09.0835

Статті цього автора (цих авторів), які найбільше читають