Thermal conductance at the interface between crystals using equilibrium and nonequilibrium molecular dynamics

电导 非平衡态热力学 声子 热导率 分子动力学 热平衡 凝聚态物理 热的 热流密度 材料科学 热力学 化学 物理 传热 计算化学
作者
Samy Mérabia,Konstantinos Termentzidis
出处
期刊:Physical Review B [American Physical Society]
卷期号:86 (9) 被引量:101
标识
DOI:10.1103/physrevb.86.094303
摘要

In this article, we compare the results of nonequilibrium (NEMD) and equilibrium (EMD) molecular dynamics methods to compute the thermal conductance at the interface between solids. We propose to probe the thermal conductance using equilibrium simulations measuring the decay of the thermally induced energy fluctuations of each solid. We also show that NEMD and EMD give generally speaking inconsistent results for the thermal conductance: Green-Kubo simulations probe the Landauer conductance between two solids which assumes phonons on both sides of the interface to be at equilibrium. On the other hand, we show that NEMD give access to the out-of-equilibrium interfacial conductance consistent with the interfacial flux describing phonon transport in each solid. The difference may be large and reaches typically a factor 5 for interfaces between usual semiconductors. We analyze finite size effects for the two determinations of the interfacial thermal conductance, and show that the equilibrium simulations suffer from severe size effects as compared to NEMD. We also compare the predictions of the two above-mentioned methods---EMD and NEMD---regarding the interfacial conductance of a series of mass mismatched Lennard-Jones solids. We show that the Kapitza conductance obtained with EMD can be well described using the classical diffuse mismatch model (DMM). On the other hand, NEMD simulation results are consistent with an out-of-equilibrium generalization of the acoustic mismatch model (AMM). These considerations are important in rationalizing previous results obtained using molecular dynamics, and help in pinpointing the physical scattering mechanisms taking place at atomically perfect interfaces between solids, which is a prerequisite to understand interfacial heat transfer across real interfaces.
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