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Erschienen in: Rare Metals 2/2024

20.11.2023 | Original Article

Insight into vertical piezoelectric characteristics regulated thermal transport in van der Waals two-dimensional materials

verfasst von: Dong-Hai Wei, E Zhou, Jin-Yuan Xu, Hui-Min Wang, Chen Shen, Hong-Bin Zhang, Zhen-Zhen Qin, Guang-Zhao Qin

Erschienen in: Rare Metals | Ausgabe 2/2024

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Abstract

The urgent demand of extreme (ultra-high/low) thermal conductivity materials is triggered by the high-power device, where exploring the theories and mechanisms of regulating thermal transport properties plays a key role. Herein, we elaborately investigate the effect of vertical (out-of-plane) piezoelectric characteristics on thermal transport, which is historically undiscovered. The different stacking-order (AA and AB) bilayer boron nitride (Bi-BN) in two-dimensional (2D) materials are selected as study cases. By performing state-of-the-art first-principles calculations, it is found that the polarization charge along the out-of-plane orientation ascends significantly with the increasing piezoelectric response in AB stacked Bi-BN (Bi-BN-AB) followed by the enhanced interlayer B–N atomic interactions. Consequently, the amplitude of phonon anharmonicity in Bi-BN-AB increases larger than that in the AA stacked Bi-BN (Bi-BN-AA), resulting in the dramatic weakening of the thermal conductivity by 20.34% under 18% strain. Our research reveals the significant role of the vertical (out-of-plane) piezoelectric characteristic in regulating thermal transport and provides new insight into accurately exploring the thermal transport performance of 2D van der Waals materials.

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Zurück zum Zitat Du C, Li M, Cao M, Song S, Feng S, Li X, Guo H, Li B. Mussel-inspired and magnetic Co-functionalization of hexagonal boron nitride in poly (vinylidene fluoride) composites toward enhanced thermal and mechanical performance for heat exchangers. ACS Appl Mater Interfaces. 2018;10(40):34674. https://doi.org/10.1021/acsami.8b14154.CrossRef Du C, Li M, Cao M, Song S, Feng S, Li X, Guo H, Li B. Mussel-inspired and magnetic Co-functionalization of hexagonal boron nitride in poly (vinylidene fluoride) composites toward enhanced thermal and mechanical performance for heat exchangers. ACS Appl Mater Interfaces. 2018;10(40):34674. https://​doi.​org/​10.​1021/​acsami.​8b14154.CrossRef
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Zurück zum Zitat Butler SZ, Hollen SM, Cao L, Cui Y, Gupta JA, Gutiérrez HR, Heinz TF, Hong SS, Huang J, Ismach AF, Johnston-Halperin E, Kuno M, Plashnitsa VV, Robinson RD, Ruoff RS, Salahuddin S, Shan J, Shi L, Spencer MG, Terrones M, Windl W, Goldberger JE. Progress, challenges, and opportunities in two-dimensional materials beyond graphene. ACS Nano. 2013;7(4):2898. https://doi.org/10.1021/nn400280c.CrossRef Butler SZ, Hollen SM, Cao L, Cui Y, Gupta JA, Gutiérrez HR, Heinz TF, Hong SS, Huang J, Ismach AF, Johnston-Halperin E, Kuno M, Plashnitsa VV, Robinson RD, Ruoff RS, Salahuddin S, Shan J, Shi L, Spencer MG, Terrones M, Windl W, Goldberger JE. Progress, challenges, and opportunities in two-dimensional materials beyond graphene. ACS Nano. 2013;7(4):2898. https://​doi.​org/​10.​1021/​nn400280c.CrossRef
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Zurück zum Zitat Nelson R, Ertural C, George J, Deringer VL, Hautier G, Dronskowski R. LOBSTER: local orbital projections, atomic charges, and chemical-bonding analysis from projector-augmented-wave-based density-functional theory. J Comput Chem. 2020;41(21):1931. https://doi.org/10.1002/jcc.26353.CrossRef Nelson R, Ertural C, George J, Deringer VL, Hautier G, Dronskowski R. LOBSTER: local orbital projections, atomic charges, and chemical-bonding analysis from projector-augmented-wave-based density-functional theory. J Comput Chem. 2020;41(21):1931. https://​doi.​org/​10.​1002/​jcc.​26353.CrossRef
Metadaten
Titel
Insight into vertical piezoelectric characteristics regulated thermal transport in van der Waals two-dimensional materials
verfasst von
Dong-Hai Wei
E Zhou
Jin-Yuan Xu
Hui-Min Wang
Chen Shen
Hong-Bin Zhang
Zhen-Zhen Qin
Guang-Zhao Qin
Publikationsdatum
20.11.2023
Verlag
Nonferrous Metals Society of China
Erschienen in
Rare Metals / Ausgabe 2/2024
Print ISSN: 1001-0521
Elektronische ISSN: 1867-7185
DOI
https://doi.org/10.1007/s12598-023-02368-z

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