A comprehensive analysis about thermal conductivity of multi-layer graphene with N-doping, -CH3 group, and single vacancy

空位缺陷 热导率 石墨烯 材料科学 凝聚态物理 声子 兴奋剂 声子散射 纳米技术 物理 光电子学 复合材料
作者
Chao Si,Liang Li,Gui Lu,Bing‐Yang Cao,Xiao‐Dong Wang,Zhen Fan,Zhihai Feng
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:123 (13) 被引量:11
标识
DOI:10.1063/1.5010091
摘要

Graphene has received great attention due to its fascinating thermal properties. The inevitable defects in graphene, such as single vacancy, doping, and functional group, greatly affect the thermal conductivity. The sole effect of these defects on the thermal conductivity has been widely studied, while the mechanisms of the coupling effects are still open. We studied the combined effect of defects with N-doping, the -CH3 group, and single vacancy on the thermal conductivity of multi-layer graphene at various temperatures using equilibrium molecular dynamics with the Green-Kubo theory. The Taguchi orthogonal algorithm is used to evaluate the sensitivity of N-doping, the -CH3 group, and single vacancy. Sole factor analysis shows that the effect of single vacancy on thermal conductivity is always the strongest at 300 K, 700 K, and 1500 K. However, for the graphene with three defects, the single vacancy defect only plays a significant role in the thermal conductivity modification at 300 K and 700 K, while the -CH3 group dominates the thermal conductivity reduction at 1500 K. The phonon dispersion is calculated using a spectral energy density approach to explain such a temperature dependence. The combined effect of the three defects further decreases the thermal conductivity compared to any sole defect at both 300 K and 700 K. The weaker single vacancy effect is due to the stronger Umklapp scattering at 1500 K, at which the combined effect seriously covers almost all the energy gaps in the phonon dispersion relation, significantly reducing the phonon lifetimes. Therefore, the temperature dependence only appears on the multi-layer graphene with combined defects.
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