Thermal Energy Transfer between Helium Gas and Graphene Surface According to Molecular Dynamics Simulations and the Monte Carlo Method

天顶 散射 蒙特卡罗方法 材料科学 石墨烯 原子物理学 计算物理学 光学 物理 纳米技术 数学 统计
作者
Lin Zhang,Heng Ban
出处
期刊:Nanomaterials [MDPI AG]
卷期号:12 (16): 2855-2855
标识
DOI:10.3390/nano12162855
摘要

The scattering of gases on solid surfaces plays a vital role in many advanced technologies. In this study, the scattering behavior of helium on graphene surfaces was investigated, including the thermal accommodation coefficient (TAC), outgoing zenith angle of helium, bounce number, and interaction time. First, we performed molecular dynamics simulations to describe the incident angle-resolved behaviors, and showed that the scattering is highly dependent on the zenith angle of incident helium but insensitive to the azimuthal angle. The contribution of the normal velocity component of the incident helium dominated the energy transfer. The nonlinear relationship of the parameters to the zenith angle of the incident helium could be suppressed by increasing the graphene temperature or decreasing the speed of the incident helium. Subsequently, the scattering performance considering all gas molecules in the hemispherical space was evaluated using the Monte Carlo method with angle-resolved results. The result showed that the TAC, its nominal components, and the zenith angle of the scattered helium increased with higher speeds of incident helium and lower temperatures of graphene. This study should provide a fundamental understanding of energy transfer between gas and two-dimensional materials and guidelines to tune the scattering behavior between them.

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