Cálculo da condutividade térmica do nitreto de boro hexagonal bidimensional

Introdução

A necessidade de controlar o fluxo de calor em dispositivos eletrônicos exige o emprego de materiais com elevada condutividade térmica para prevenir o superaquecimento e assegurar o desempenho dos componentes. Nesse cenário, o gerenciamento térmico tornou-se etapa fundamental na concepção de novos circuitos. Para investigar tais propriedades em escala microscópica, a modelagem computacional destaca-se como ferramenta essencial na matéria condensada. Em materiais onde a condutividade é dominada pelas vibrações da rede (caso de isolantes e semicondutores com grande gap de energia), o transporte de calor ocorre majoritariamente por fônons. Contudo, métodos experimentais frequentemente enfrentam dificuldades para reproduzir resultados com precisão e isolar o impacto de defeitos estruturais individuais, tornando as simulações atomísticas ideais para avaliar a resposta intrínseca do material.

Objetivo

Este trabalho teve como objetivo determinar a condutividade térmica do nitreto de boro hexagonal bidimensional (2D-hBN) puro e isento de defeitos estruturais, utilizando simulações de Dinâmica Molecular de Equilíbrio (EMD) combinadas ao formalismo de Green-Kubo para compreender as propriedades térmicas fundamentais deste material. Como objetivo específico, estabeleceu-se a validação prévia do código de simulação utilizando o argônio sólido como modelo padrão.

Método

O estudo empregou a Dinâmica Molecular de Equilíbrio (EMD) aliada ao formalismo de Green-Kubo. Na etapa de validação, o argônio sólido foi simulado via potencial de Lennard-Jones. Posteriormente, modelou-se a monocamada de 2D-hBN puro empregando o potencial de Tersoff. O sistema cristalino foi expandido espacialmente para mitigar efeitos de tamanho finito, totalizando 1.800 átomos (escala aproximada de 15 nm). A termalização do material foi confirmada pela estabilização da temperatura instantânea, e as simulações foram executadas no ensemble NVE na faixa de temperatura entre 100 K e 300 K.

Resultados e discussão

A validação inicial com o argônio sólido apresentou excelente concordância com dados experimentais da literatura em diversas temperaturas, comprovando a eficácia do método. Para a monocamada de 2D-hBN puro, a análise pelo método de Green-Kubo resultou em valores de condutividade térmica variando de 559,9 W/(m·K) a 100 K até 233,9 W/(m·K) a 300 K. A redução da condutividade com o aumento da temperatura evidencia o comportamento esperado do espalhamento de fônons. Os resultados obtidos para a escala de 15 nm refletem o comportamento intrínseco do material e concordam com a literatura, demonstrando a dependência da condutividade térmica em relação às dimensões finitas do sistema.

Conclusão

Conclui-se que o modelo empregando Dinâmica Molecular de Equilíbrio e o formalismo de Green-Kubo é altamente eficaz na representação do transporte de fônons no 2D-hBN. O estudo cumpriu o objetivo de mensurar a condutividade térmica do material estruturalmente puro, consolidando a metodologia computacional aplicada.

Palavras-chave

• Dinâmica Molecular
• Green-Kubo
• Argônio
• Nitreto de Boro Hexagonal
• Condutividade Térmica