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Título: Condução de calor em nanofitas quase-periódicas de grafeno-hBN
Autor(es): Félix, Isaac de Macêdo
Orientador: Pereira, Luiz Felipe Cavalcanti
Palavras-chave: Simulações de dinâmica molecular. Super-redes de grafeno-hBN. Quase-periodicidade. Transporte de calor por fônons. Materiais termoelétricos;Materiais 2D
Data do documento: 4-Ago-2020
Editor: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Referência: FÉLIX, Isaac de Macêdo. Condução de calor em nanofitas quase-periódicas de grafeno-hBN. 2020. 208f. Tese (Doutorado em Física) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2020.
Resumo: O desenvolvimento da nanotecnologia tem exigido uma compreensão cada vez maior dos fenômenos ligados ao transporte de calor em nanoescala, a fim de encontrar estratégias promissoras para o gerenciamento térmico em dispositivos eletrônicos miniaturizados. Nesse sentido, super-redes semicondutoras (cujos fônons são os principais portadores de calor) têm se mostrado uma plataforma ideal para a exploração desses fenômenos, pois permitem controlar suas propriedades físicas ajustando unicamente o seu período de super-rede (tamanho da supercélula). No presente estudo, foram realizadas simulações de dinâmica molecular de não-equilíbrio para investigar o transporte térmico em super-redes de grafeno-hBN (nitreto de boro hexagonal) frente à quebra gradual da sua periodicidade. Para isso, foram construídas nanofitas quase-periódicas, situadas entre um meio periódico e desordenado, distribuindo os domínios de grafeno e hBN em suas supercélulas conforme as sequências de Fibonacci, Thue-Morse e Período-Duplo, que exibem um crescimento controlado a partir do caso periódico. Os resultados revelaram um comportamento semelhante para as três sequências analisadas. No caso periódico, há um comportamento não-monotônico da condutividade térmica em função do período de super-rede, que é uma consequência da transição do regime de transporte térmico coerente (fônons como ondas) para incoerente (fônons como partícula), como tem sido relatado na literatura. No entanto, à medida que a simetria de translação das nanofitas se degrada com a quase-periodicidade da supercélula, o regime de transporte térmico coerente é gradualmente suprimido devido ao espalhamento de fônons em diferentes escalas de comprimentos. Isso permite reduzir sua condutividade térmica de maneira controlada, podendo fornecer valor até 60 % menor do que a condutividade térmica da sua contraparte periódica. Esse achado abre um novo horizonte para o controle do transporte calor em nanoescala e apresenta uma estratégia valiosa para o desenvolvimento de novos materiais termoelétricos.
Abstract: The development of nanotechnology requires an increasing understanding of the phenomena related to nanoscale heat transport, in order to find promising strategies for thermal management in miniaturized electronic devices. In this sense, semiconductor superlattices (whose phonons are the main heat carriers) have been shown to be an ideal platform for the exploration of these phenomena, as they allow to control their physical properties by adjusting only their superlattice period (supercell size). In the present study, non-equilibrium molecular dynamics simulations were performed to investigate thermal transport in graphene-hBN superlattices in the face of a gradual deviation from their periodicity. For this purpose, quasiperiodic nanoribbons were built, which lie between periodic and disordered medium, distributing the domains of graphene and hBN in their supercells according to the Fibonacci, Thue-Morse and Double-Period sequences, which exhibit controlled growth from the periodic case. The results revealed a similar behavior for the three sequences analysed. In the periodic case, there is a non-monotonic behavior of the thermal conductivity with the superlattice period, which is a consequence of the crossover from the coherent (phonons wave-like) to incoherent (phonons particle-like) thermal transport regime, as has been reported in the literature. However, as the translation symmetry of the nanoribbons degrade with the quasiperiodicity of the supercell, the coherent thermal transport regime is gradually suppressed due to the diffuse scattering of phonons in different length scales. This allows to reduce its thermal conductivity in a controlled manner, being able to provide a value up to 60 % smaller than the thermal conductivity of its periodic counterpart. This finding opens a new horizon for the control of nanoscale heat transport and presents a valuable strategy for the development of new thermoelectric materials
URI: https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/30749
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