Phonon coupling and transport in individual polyethylene chains: a comparison study with the bulk crystal

声子 热导率 材料科学 凝聚态物理 非谐性 散射 声子散射 长波限 范德瓦尔斯力 物理 光学 分子 量子力学 复合材料
作者
Xinjiang Wang,Massoud Kaviany,Baoling Huang
出处
期刊:Nanoscale [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:9 (45): 18022-18031 被引量:57
标识
DOI:10.1039/c7nr06216h
摘要

Using the first-principles-based anharmonic lattice dynamics, we calculate the thermal conductivities (κ) of both bulk and single-chain polyethylene (PE) and characterize the mode-wise phonon transport and scattering channels. A significantly higher room-temperature axial thermal conductivity in single-chain PE (1400 W m-1 K-1) is observed compared to bulk PE crystals (237 W m-1 K-1). The reduction of scattering phase space caused by the diminished inter-chain van der Waals interactions explains the much larger κ in single-chain PE. Different from many previous studies, the thermal conductivity of single-chain PE is predicted to converge at a chain length of ∼1 mm at 300 K. The convergence is explained by the indirect thermal resistance from momentum-conserving scatterings of long-wavelength phonons. It is also found that longitudinal phonon modes dominate the thermal transport in PE chains, while transverse phonon branches with quadratic dispersions contribute little to κ due to their vanishing group velocities and limited lifetimes in the long wavelength limit. The predicted high κ of bulk crystalline and single-chain PE show great potential for use of polymers in thermal management, and the unveiled phonon transport mechanisms offer guides for their molecule-level design.
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