Study of phonon properties of graphene and monolayer hBN using Equilibrium Molecular Dynamics
Creators: name: Πούλος, Μάρκος Ιωάννη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2021
Subjects: Μοριακή Δυναμική
2D υλικά
Ενέργειες και χρόνοι ζωής φωνονίων
Molecular Dynamics
2D materials
Phonon lifetimes

description: Graphene and hexagonal Boron Nitride (hBN) are two examples of two dimensional (2D) materials of great interest, with numerous technological applications in a variety of fields such as in optoelectronics and thermal management. In this work, we have studied the phonon properties of monolayer graphene and hBN from the analysis of Molecular Dynamics simulations, by employing the k-space Autocorrelation Sequence (k-VACS) method. With the use of the k-VACS method, by an analysis of the atomic trajectories and positions obtained from Molecular Dynamics simulations we calculate the phonon dispersion curves, Densities of State and phonon lifetimes, by calculating the Power Spectral Density (PSD) of the system. This method presents significant advantages in relation to more “direct” methods like Lattice Dynamic (either by use of empirical potentials or Ab Initio) and Many-Body Perturbation Theory, since with this method, we can obtain the phonon energies and lifetimes in all orders of anharmonicity in perturbation theory, under any conditions of pressure and temperature, as well as in cases of non-periodic systems, where the use of such direct methods on such systems becomes practically impossible. In this work, we apply this method to graphene and monolayer hBN inside a temperature range. From the analysis of the results, we deduce valuable information on the phonon density of states, as well as on the temperature dependence of the phonon energies and lifetimes in the above materials.
description: Το γραφένιο και το εξαγωνικό Νιτρίδιο του Βορίου (hBN) είναι δύο παραδείγματα υλικών δύο διαστάσεων (2D) τα οποία αποτελούν υλικά υψηλού τεχνολογικού ενδιαφέροντος με πολλά υποσχόμενες εφαρμογές σε τομείς όπως η διαχείριση θερμότητας (thermal management) και η οπτοηλεκτρονική. Στην παρούσα εργασία μελετώνται οι φωνονικές ιδιότητες του γραφενίου και του hBN από ανάλυση προσομοιώσεων Μοριακής Δυναμικής με τη μέθοδο k-VACF. Με χρήση της μεθόδου k-VACF (k-space Velocity Autocorrelation Function), από τις ατομικές τροχιές και ταχύτητες σε προσομοιώσεις Μοριακής Δυναμικής προσδιορίζονται οι καμπύλες διασποράς και οι χρόνοι ζωής των φωνονίων, μέσω του υπολογισμού της φασματικής πυκνότητας (spectral density). Η μέθοδος παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με παραδοσιακές μεθόδους όπως η Δυναμική Πλέγματος (Lattice Dynamics) και η Θεωρία Διαταραχών Πολλών Σωμάτων (Many-Body Perturbation Theory), καθώς με τη μέθοδο αυτή προσδιορίζονται οι ενέργειες και οι χρόνοι ζωής των φωνονίων σε όλες τις τάξεις αναρμονικότητας, υπό οποιεσδήποτε συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, καθώς και σε περιπτώσεις συστημάτων με ατέλειες, όπου η χρήση των παραδοσιακών μεθόδων είναι πρακτικά αδύνατη. Στην παρούσα εργασία γίνεται εφαρμογή της μεθόδου στο γραφένιο και το μονοστρωματικό hBN σε διάφορες θερμοκρασίας. Από την ανάλυση των αποτελεσμάτων εξάγονται συμπεράσματα για την θερμοκρασιακή εξάρτηση της φωνονικής πυκνότητας καταστάσεων, καθώς και των ενεργειών και των χρόνων ζωής των φωνονίων των παραπάνω υλικών.