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실험적 포논 평균자유행로 스펙트럼 분포를 이용한 포논 스펙트럼 포논-표면 산란율 모델
Direct Determination of Spectral Phonon-Surface Scattering Rate from Experimental Data on Spectral Phonon Mean Free Path Distribution 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.40 no.9 = no.372, 2016년, pp.621 - 627  

진재식 (조선이공대학교 기계설계과)

초록
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본 연구에서는 실험적 데이터를 근간으로 박막재료의 스펙트럼(spectrum) 분포 별 포논-표면 산란율을 직접 계산할 수 있는 모델을 제시했다. 실험 측정결과인 포논 평균자유행로(mean free path, MFP) 스펙트럼 분포 별 열전달 기여도로부터 스펙트럼 의존적 포논-표면 산란율을 직접 도출하는 모델을 개발했고, 이 모델을 아직 실험적 방법으로 포논-표면 산란율을 측정하지 못한 $Si_{0.9}-Ge_{0.1}$ 나노선(Nanowire, NW)에 적용하여, $Si_{0.9}-Ge_{0.1}$ NW 내 포논 MFP 스펙트럼 분포를 구하고, 주파수에 따른 포논 전달특성을 살폈다. 이를 바탕으로 $Si_{0.9}-Ge_{0.1}$ NW 단위길이당 포논-표면 산란율을 제시하여, 가로갈래 포논 주파수 의존성을 살폈다. 본 연구에서 제시한 모델은 향후 나노재료의 공학적 응용을 위한 나노구조물 열전달 해석모델 개발 및 나노재료 열전달 특성 조정(tailoring)을 위한 나노재료 최적설계에 활용될 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, we present a model that can be used to calculate the phonon-surface scattering rate directly from the experimental data on phonon mean free path (MFP) spectra of nanostructures. Using this model and the recently reported length-dependent thermal conductivity measurements on $Si_{...

주제어

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문제 정의

  • 본 연구의 목적은 박막재료의 MFP 스펙트럼 분포 별 열전달 기여도 실험적 측정 결과로부터 스펙트럼 분포 별 포논-표면 산란율을 직접 도출하는 방법을 제시하는 것인데, 이 방법을 적용하기 위해서는 (1) 벌크(bulk) 재료의 포논 MFP 스펙트럼 별 열전도율 분포; (2) 박막 재료의 두께 별 포논 MFP 스펙트럼 별 열전도율 분포; (3) 포논의 스펙트럼 특성인 분산관계(dispersion relation)를 고려한 열전도율 예측 모델이 필요하다.

가설 설정

  • Si0.9-Ge0.1 NW 내 포논에 의한 에너지 전달을 정확히 해석하기 위해서는 포논 분산관계를 고려해야 하는데,(24,25) 본 연구에서는 Ge의 10% 성분이 Si 분산관계에 미치는 영향은 무시하고, 300 K에서 실리콘의 [001] 방향에 대한 포논 분산관계(30)을 고려했고, 포논 분산관계의 격자 방향은 등방성 (isotropic)을 갖는다고 가정했다.(24,25,35) 포논 분산 관계를 고려하기 위해 FPD 모델(24,25) 개념을 적용했는데, FPD 모델 개념에 대한 간략한 서술은 다음과 같다.
  • 따라서 박막 특성길이 변화에 따른 열전도율 변화가 Kfilm 에 포함됨을 고려하면, 박막 두께 직각방향의 포논 전달이 매우 주도적인 극히 얇은 박막의 두께 수직방향 포논 전달 문제가 아닌 경우, 식 (5)에서처럼 박막 재료에 대한 βi 를 벌크 재료와 같다고 가정할 수 있다.
  • (24,25,35) 포논 분산 관계를 고려하기 위해 FPD 모델(24,25) 개념을 적용했는데, FPD 모델 개념에 대한 간략한 서술은 다음과 같다. 포논 분산관계의 종방향(longitudinal) 음향 갈래(acoustic branch) 포논(LA)과 횡방향(transvers) 음향 갈래 포논(TA)의 각 갈래의 전체 진동수 범위를 균등 분할하여, LA와 TA 포논에 대해 각각 6 밴드(band)로 구분하여, 각 밴드 내에서는 선형적인 분산관계를 가지고 동일한 에너지 전달특성(군속도 및 비열)을 갖는다고 (즉, 각 밴드는 Gray 스펙트럼 특성을 갖는다고) 가정했고, 광 갈래(optical branch)는 해당 진동수 범위(~ 2 THz)가 LA 포논 진동수 범위 (~ 12 THz)에 비해 매우 작으므로 단일 밴드로 처리했다. 이에 대한 상세한 설명은 Narumanchi 등(24,25)에 언급되어 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
나노제작기술의 발달로 인하여 가능해진 것은? 포논(phonon)은 반도체 및 절연체(dielectric) 내의 결정체(crystal) 격자(lattice)의 열을 전달하는 양자화된 진동인데,(1,2) 포논 전달특성 연구는 고효율의 나노시스템 개발에 있어서 매우 중요하다.(1~4) 특히, 최근 나노제작기술(nano-fabrication technology) 의 발달에 힘입어 시스템 특성길이가수에서 수십 nm에 이르는 점(dot), 선(wire), 박막(thin film) 등 다양한 형태의 나노재료의 제작이 가능해졌다.(4)
열전 소자의 효율 향상을 위하여, 큰 전기 전도율을 갖는 동시에 낮은 열전도율을 가지는 재료 개발 연구하는 근거는? (1,2) 나노제작기술 응용분야의 하나로, 폐열(waste heat) 을 활용하여 전기를 생산할 수 있는 열전(thermoelectrics) 소자가 있다.(1~4) 열전 소자의 효율을 의미하는 열전성능지수(thermoelectric figure of merit, ZT)는 ZT =σS2T/(Kph + Ke)로 정의되며, 전자의 열전 도율(Ke)은 전기전도율(σ)에 비례하므로, ZT 향상은 일반적으로 포논의 열전도율(Kph) 축소에 의지한다.(1,4) 따라서 열전 소자의 효율 향상을 위하여, 큰 전기 전도율을 갖는 동시에 낮은 열전도율을 가지는 재료 개발 연구가 활발히 진행되고 있다.
포논이란? 포논(phonon)은 반도체 및 절연체(dielectric) 내의 결정체(crystal) 격자(lattice)의 열을 전달하는 양자화된 진동인데,(1,2) 포논 전달특성 연구는 고효율의 나노시스템 개발에 있어서 매우 중요하다.(1~4) 특히, 최근 나노제작기술(nano-fabrication technology) 의 발달에 힘입어 시스템 특성길이가수에서 수십 nm에 이르는 점(dot), 선(wire), 박막(thin film) 등 다양한 형태의 나노재료의 제작이 가능해졌다.
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참고문헌 (36)

  1. Tien, C. L., Majumdar, A. and Gerner, F. M., 1998, MICROSCALE ENERGY TRANSPORT, Taylor & Francis, Washington D. C., pp. 3-94. 

  2. Zhang, Z. M., 2007, Nano/Microscale Heat Transfer, Mc Graw Hill, New York, pp. 162-182. 

  3. Kim, W., Zide, J., Gossard, A., Klenov, D., Stemmer, S., Shakouri, A. and Majumdar, A, 2006, "Thermal Conductivity Reduction and Thermoelectric Figure of Merit Increase by Embedding Nanoparticles in Crystalline Semiconductors," Physical Review Letters, Vol. 96, No. 4, Paper Number 045901. 

  4. Kim, W., 2015, "Strategies for Engineering Phonon Transport in Thermoelectrics," Journal of Materials Chemistry C, Vol. 3, No. 10, pp. 10336-10348. 

  5. Park, H. J., Nah, J. H., Tutuc, E. and Seol, J. H., 2015, "Thermal Conductivity Measurement of Ge-SixGe1-x Core-Shell Nanowires Using Suspended Microdevices," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 39, No. 10, pp. 825-829. 

  6. Li, D., Wu, Y., Kim, P., Shi, L., Yang, P. and Majumdar, A., 2003, "Thermal Conductivity of Individual Silicon Nanowires," Applied Physics Letters, Vol. 83, No. 14, pp. 2934-2936. 

  7. Hochbaum, A. I., Chen, R., Delgado, R. D., Liang, W., Garnett, E. C., Najarian, M., Majumdar, A. and Yang, P., 2008, "Enhanced Thermoelectric Performance of Rough Silicon Nanowires," Nature, Vol. 451, No. 7175, pp. 163-167. 

  8. Zou, J. and Balandin, A., 2001, "Phonon Heat Conduction in a Semiconductor Nanowire," Journal of Applied Physics, Vol. 89, No. 5, pp. 2932-2938. 

  9. Lim, J., Hippalgaonkar, K., Andrews, S. C., Majumdar, A. and Yang, P., 2012, "Quantifying Surface Roughness Effects on Phonon Transport in Silicon Nanowires," Nano Letters, Vol. 12, No. 5, pp. 2475-2482. 

  10. Chen, R., Hochbaum, A. I., Murphy, P., Moore, J., Yang, P. and Majumdar, A, 2008, "Thermal Conductance of Thin Silicon Nanowires," Physical Review Letters, Vol. 101, No. 10, Paper Number 105501. 

  11. Ghossoub, M. G., Valavala, K. V., Seong, M., Azeredo, B., Hsu, K., Sadhu, J. S., Singh, P. K. and Sinha, S., 2013, "Spectral Phonon Scattering from Sub-10 nm Surface Roughness Wavelengths in Metal-Assisted Chemically Etched Si Nanowires," Nano Letters, Vol. 13, No. 4, pp. 1564-1571. 

  12. Hertzberg, J. B., Aksit, M., Otelaja, O. O., Stewart, D. A. and Robinson, R. D., 2014, "Direct Measurements of Surface Scattering in Si Nanosheets Using a Microscale Phonon Spectrometer: Implications for Casimir-Limit Predicted by Ziman Theory," Nano Letters, Vol. 14, No. 2, pp. 409-415. 

  13. Zhou, Y., Chen, Y. and Hu, M., 2016, "Strong Surface Orientation Dependent Thermal Transport in Si Nanowires," Scientific Report, Vol. 6, Paper Number 24903. 

  14. Zianni, X. and Chantrenne, P., 2013, "Thermal Conductivity of Diameter-Modulated Silicon Nanowires Within a Frequency-Dependent Model for Phonon Boundary Scattering," Journal of Electronic Materials, Vol. 42, No. 7, pp. 1509-1513. 

  15. Xie, G., Guo, Y., Li, B., Yang, L., Zhang, K., Tang, M. and Zhang, G., 2013, "Phonon Surface Scattering Controlled Length Dependence of Thermal Conductivity of Silicon Nanowires," Physical Chemistry Chemical Physics, Vol. 15, No. 35, pp. 14647-14652. 

  16. Marchbanks, C. and Wu, Z., 2015, "Reduction of Heat Capacity and Phonon Group Velocity in Silicon Nanowires," Journal of Applied Physics, Vol. 117, No. 8, Paper Number 084305. 

  17. Sadhu, J. and Sinha, S., 2011, "Room-temperature Phonon Boundary Scattering Below the Casimir Limit," Physical Review B, Vol. 84, No. 11, Paper Number 115450. 

  18. Feser, J. P., Sadhu, J. S., Azeredo, B. P., Hsu, K. H., Ma, J., Kim, J., Seong, M., Fang, N. X., Li, X., Ferreira, P. M., Sinha, S. and Cahill, D. G., 2012, "Thermal Conductivity of Silicon Nanowire Arrays with Controlled Roughness," Journal of Applied Physics, Vol. 112, No. 11, Paper Number 114306. 

  19. Hsiao, T.-K., Chang, H.-K., Liou, S.-C., Chu, M.-W., Lee, S.-C. and Chang, C.-W., 2013, "Observation of Room Temperature Ballistic Thermal Conduction Persisting over 8.3 ${\mu}m$ in SiGe Nanowires," Nature Nanotechnology, Vol. 8, No. 7, pp. 534-538. 

  20. Malhotra, A. and Maldovan, M., 2016, "Impact of Phonon Surface Scattering on Thermal Energy Distribution of Si and SiGe Nanowires," Scientific Report, Vol. 6, Paper Number 25818. 

  21. Xie, G., Guo, Y., Wei, X., Zhang, K., Sun, L., Zhong, J., Zhang, G. and Zhang, Y.-W., 2014, "Phonon Mean Free Path Spectrum and Thermal Conductivity for $Si_{1-x}Ge_x$ Nanowires," Applied Physics Letters, Vol. 104, No. 23, Paper Number 233901. 

  22. Yin, L., Lee, E. K., Lee, J. W., Whang, D., Choi, B. L. and Yu, C., 2012, "The Influence of Phonon Scatterings on the Thermal Conductivity of SiGe Nanowires," Applied Physics Letters, Vol. 101, No. 4, Paper Number 043114. 

  23. Zhang, H., Hua, C., Ding D. and Minnich, A. J., 2015, "Length Dependent Thermal Conductivity Measurements Yield Phonon Mean Free Path Spectra in Nanostructures," Scientific Report, Vol. 5, Paper Number 9121. 

  24. Narumanchi, S. V. J., Murthy, J. Y. and Amon, C. H., 2004, "Submicron Heat Transfer Model in Silicon Accounting for Phonon Dispersion and Polarization," ASME Journal of Heat Transfer, Vol. 126, No. 6, pp. 946-955. 

  25. Narumanchi, S. V. J., Murthy, J. Y. and Amon, C. H., 2005, "Comparison of Different Phonon Transport Models for Predicting Heat Conduction in Silicon-oninsulator Transistors," ASME Journal of Heat Transfer, Vol. 127, No. 7, pp. 713-723. 

  26. Kang, H.-S., Koh, Y. H. and Jin, J. S., 2016, "A Numerical Study on the Anisotropic Thermal Conduction by Phonon Mean Free Path Spectrum of Silicon in Silicon-on-Insulator Transistor," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 40, No. 2, pp. 111-117. 

  27. Lee, J., Lim, J. and Yang, P., 2015, "Ballistic Phonon Transport in Holey Silicon," Nano Letters, Vol. 5, No. 5, pp. 3273-3279. 

  28. Minnich, A. J., 2015, "Thermal Phonon Boundary Scattering in Anisotropic Thin Films," Applied Physics Letters, Vol. 107, No. 18, Paper Number 183106. 

  29. Sellan, D. P., Turney, J. E., McGaughey, A. J. H. and Amon, C. H., 2010, "Cross-plane Phonon Transport in Thin Films," Journal of Applied Physics, Vol. 108, No. 11, Paper Number 113524. 

  30. Brockhouse, B. N., 1959, "Lattice Vibrations in Silicon and Germanium," Physical Review Letters, Vol. 2, No. 6, pp. 256-258. 

  31. Majumdar, A., 1993, ''Microscale Heat Conduction in Dielectric Thin Films,'' ASME Journal of Heat Transfer, Vol. 115, No. 7, pp. 7-16. 

  32. Jain, A., Yu, Y.-J. and McGaughey, A. J. H., 2013, "Phonon Transport in Periodic Silicon Nanoporous Films with Feature Sizes Greater Than 100 nm," Physical Review B, Vol. 87, No. 19, Paper Number 195301. 

  33. Minnich, A. J., Johnson, J. A., Schmidt, A. J., Esfarjani, K., Dresselhaus, M. S., Nelson, K. A. and Chen, G., 2011, "Thermal Conductivity Spectroscopy Technique to Measure Phonon Mean Free Paths," Physical Review Letters, Vol. 107, No. 9, Paper Number 095901. 

  34. Minnich, A. J., 2012, "Determining Phonon Mean Free Paths from Observations of Quasiballistic Thermal Transport," Physical Review Letters, Vol. 109, No. 20, Paper Number 205901. 

  35. Jin, J. S., 2014, "Prediction of Phonon and Electron Contributions to Thermal Conduction in Doped Silicon Films," Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 28, No. 6, pp. 2287-2292. 

  36. Esfarjani, K. and Chen, G., 2011, "Heat Transport in Silicon from First-principles Calculations," Physical Review B, Vol. 84, No. 8, Paper Number 085204. 

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