Molecular dynamics studies of material property effects on thermal boundary conductance

文献情報

出版日 2013-05-17
DOI 10.1039/C3CP51131F
インパクトファクター 3.676
著者

X. W. Zhou, R. E. Jones, J. C. Duda, P. E. Hopkins


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要旨

Thermal boundary resistance (inverse of conductance) between different material layers can dominate the overall thermal resistance in nanostructures and therefore impact the performance of the thermal property limiting nano devices. Because relationships between material properties and thermal boundary conductance have not been fully understood, optimum devices cannot be developed through a rational selection of materials. Here we develop generic interatomic potentials to enable material properties to be continuously varied in extremely large molecular dynamics simulations to explore the dependence of thermal boundary conductance on the characteristic properties of materials such as atomic mass, stiffness, and interfacial crystallography. To ensure that our study is not biased to a particular model, we employ different types of interatomic potentials. In particular, both a Stillinger–Weber potential and a hybrid embedded-atom-method + Stillinger–Weber potential are used to study metal-on-semiconductor compound interfaces, and the results are analyzed considering previous work based upon a Lennard-Jones (LJ) potential. These studies, therefore, reliably provide new understanding of interfacial transport phenomena particularly in terms of effects of material properties on thermal boundary conductance. Our most important finding is that thermal boundary conductance increases with the overlap of the vibrational spectra between metal modes and the acoustic modes of the semiconductor compound, and increasing the metal stiffness causes a continuous shift of the metal modes. As a result, the maximum thermal boundary conductance occurs at an intermediate metal stiffness (best matched to the semiconductor stiffness) that maximizes the overlap of the vibrational modes.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
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Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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