Nanostructure engineering of two-dimensional diamonds toward high thermal conductivity and approaching zero Poisson's ratio

文献情報

出版日 2022-05-31
DOI 10.1039/D2CP01745H
インパクトファクター 3.676
著者

Yanxiao Hu, Ding Li, Chunbao Feng, Shichang Li, Bole Chen, Dengfeng Li, Gang Zhang


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要旨

Two-dimensional diamond, also called diamane, has attracted great research attention for its novel physical properties and potential applications in nanoelectronics, ultrasensitive resonators and thermal management. Compared with the hexagonal diamane, the physical properties of the rectangular diamane are less explored. In this work, using first-principles calculations, we conducted a comprehensive study on the electronic, phononic, thermal and mechanical properties of three types of rectangular diamanes. We found that rectangular diamanes possess a high Debye temperature (722–788 K) and a strong in-plane Young's modulus (405.9–575.9 N m−1). We further show close to zero Poisson's ratio in the rectangular Pmma diamane. Moreover, based on the phonon Boltzmann transport equation, high room temperature lattice thermal conductivity (910–1807 W m−1 K−1) and strong configuration and orientation dependence are demonstrated. Phonon group velocity, relaxation time and characteristic square velocity are explored and it is demonstrated that phonon harmonic behavior is responsible for the remarkable configuration dependent thermal conductivity in rectangular diamanes. The present work underscores the use of nanostructure engineering to manipulate thermal conductivity of 2D diamond, which provides opportunities for developing effective thermal channeling devices.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

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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