Phonon-engineered extreme thermal conductivity of two-dimensional heterostructures

二维异质结构的声子工程极限导热率

• 批准号: 22KF0102
• 负责人: 塩見 淳一郎
• 金额: $ 1.47万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KF0102/
• 关键词: ２次元物質; ファンデルワールスヘテロ構造; フォノンエンジニアリング; 分子動力学; 熱伝導; 機械学習

まず、2次元周期的MoS2/MoSe2ファンデルワールスヘテロ構造における熱伝導率の変調について研究を進めた。非平衡分子動力学（MD）法を用いて、格子不整合が小さい構造における熱伝導率変調とフォノン輸送を計算した結果、MoSe2層の密度を調整することで、コヒーレントフォノン輸送を破壊したり再構築したりできることがわかった。空間エネルギー分布、固有値ベクトル図、分散関係などによりフォノンモードの局在化を可視化することができた。このようなインコヒーレントからコヒーレントへのフォノン輸送の遷移現象を、熱伝導率の構造依存性と温度依存性と関係付けて議論した。さらに、ヘテロ構造に同位体を埋め込んだ系のフォノン輸送をMD法により調べた。その結果、同位体を埋め込んだヘテロ構造では、質量差が小さい場合は熱伝導率が効果的に低減するが、質量差が大きい場合には低減効果が弱くなることがわかった。さらに詳細な解析により、熱伝導率低下のメカニズムが、フォノン・同位体散乱とフォノン・境界散乱に起因していることがわかった。また、同位体内包MoS2/MoSe2ヘテロ構造のフォノン分散曲線には、低周波数領域でフォノン共鳴現象が観察された。そこで、フォノン共鳴とフォノン散乱の複合効果による熱伝導率の抑制について詳しく議論した。次に、2次元パターン化グラフェン/h-BNヘテロ構造のフォノンエンジニアリングを行った。MD計算により熱伝導率のデータベースを生成して、実効熱伝導率を予測する畳み込みニューラルネットワーク（CNN）を開発した。それにより、異なる配列パターンの横型ヘテロ構造の構造特性を自動的に抽出することができた。学習させたCNNに基づいて、面内熱伝導率が高い横型ヘテロ構造の構造を求めた。さらに、熱伝導率が最も低い構造と最も高い構造のフォノンエネルギー密度分布と透過率を計算し、そのメカニズムを解析した。

ま ず, 2 dimensional cycle of MoS2 / MoSe2 フ ァ ン デ ル ワ ー ル ス ヘ テ ロ tectonic に お け る 伝 heat conductivity の - adjustable に つ い を て research into め た. を non-equilibrium molecular dynamics (MD) method with い て, small grid unconformity が さ い tectonic に お け る hot 伝 conductivity variations adjusted と フ ォ ノ ン conveying を computing し た result, the density of MoSe2 layers の を す る こ と で, コ ヒ ー レ ン ト フ ォ ノ ン conveying を broken 壊 し た り to construct し た り で き る こ と が わ か っ た. Space エ ネ ル ギ ー distribution, inherent numerical ベ ク ト ル 図, scattered masato な ど に よ り フ ォ ノ ン モ ー ド の bureau in turn を visualization す る こ と が で き た. こ の よ う な イ ン コ ヒ ー レ ン ト か ら コ ヒ ー レ ン ト へ の フ ォ ノ ン conveying を の migration phenomenon, hot 伝 conductivity の structure dependence と temperature dependency と masato department pay け て comment し た. さ ら に, ヘ テ に ロ structure with a body buried を め 込 ん だ is の フ ォ ノ ン conveying を MD method に よ り adjustable べ た. そ の results, with a body buried を め 込 ん だ ヘ テ ロ tectonic で は small, poor quality が さ い occasions は 伝 heat conductivity が unseen fruit に low reduction す る が, great quality is poor が き い occasions に は low cut sharper fruit が weak く な る こ と が わ か っ た. さ ら に detailed analytical に な よ り, hot 伝 low conductivity の メ カ ニ ズ ム が, フ ォ ノ ン scattered, with a body と フ ォ ノ ン · state messy に cause し て い る こ と が わ か っ た. ま た, with a body bag MoS2 / MoSe2 ヘ テ ロ tectonic の フ ォ ノ ン dispersion curve に は, low cycle for field で フ ォ ノ ン resonance phenomenon が 観 examine さ れ た. そ こ で, フ ォ ノ ン resonance と フ ォ ノ ン scattered の composite unseen fruit に よ る 伝 heat conductivity の inhibit に つ い て detailed し く comment し た. に, 2 dimensional パ タ ー ン change グ ラ フ ェ ン / h - BN ヘ テ ロ tectonic の フ ォ ノ ン エ ン ジ ニ ア リ ン グ を line っ た. MD calculated に よ り 伝 heat conductivity の デ ー タ ベ ー ス を generated し て, be sharper 伝 heat conductivity を be す る 畳 み 込 み ニ ュ ー ラ ル ネ ッ ト ワ ー ク (CNN) を open 発 し た. そ れ に よ り, different な る match column パ タ ー ン の horizontal type ヘ テ ロ structure の を automatic features に spare す る こ と が で き た. Learning さ せ た CNN に base づ い て, surface and internal 伝 high conductivity が い horizontal type ヘ テ ロ structure の を o め た. さ ら に, hot 伝 conductivity が most low も と い structure and high も い tectonic の フ ォ ノ ン エ ネ ル ギ ー density distribution と transmittance を し calculation, そ の メ カ ニ ズ ム を parsing し た.

项目成果

Thermal conductivity modulation of 2D periodic MoS2/MoSe2 arrayed heterostructure

二维周期性MoS2/MoSe2阵列异质结构的热导调制

• 发表时间: 2022
• 作者: Meng An;Junichiro Shiomi
• 通讯作者: Junichiro Shiomi