The effects of grain size and grain boundary characteristics on the thermal conductivity of nanocrystalline diamond

晶界 热导率 材料科学 钻石 纳米晶材料 凝聚态物理 热传导 粒度 热阻 界面热阻 复合材料 热的 热力学 微观结构 纳米技术 物理
作者
David Spiteri,J. Anaya,Martin Kuball
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:119 (8) 被引量:32
标识
DOI:10.1063/1.4942522
摘要

Molecular dynamics simulation was used to study the effects of each grain dimension and of grain boundary characteristics on the inter-grain thermal boundary resistance (TBR) and intragrain thermal conductivity of nanocrystalline diamond. The effect of the grain boundaries perpendicular to the heat flow was studied using a multiple slab configuration, which greatly reduced the artifacts associated with the heat source/sink. The TBR between the slabs was found to be more sensitive to the atomic arrangement at the boundary than to the tilt angle between the slabs. When the atomic arrangement at the interface was altered from the minimum energy configuration, the TBR increased by a factor of three, suggesting that a sub-optimal interface quality between the grains could play a large role in reducing the thermal conductivity of nanocrystalline diamond. The thermal conductivity between the boundaries was found to be similar to the bulk value, even when the boundaries were only 25 nm apart. The effect of grain boundaries parallel to the heat flow was found to have a large dependence on the microstructural details. Parallel boundaries which were 2 nm apart reduced the thermal conductivity of defect-free diamond by between one third and a factor of ten.

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