Analysis on Thermomechanical Response to Tensile Deformation of GaN Nanowires

GaN 나노와이어의 인장 변형에 의한 열기계적 거동 해석

In this work the mechanical behaviors of GaN nanowires are analyzed during tension, compression, and unloading deformations. The thermal conductivity of the nanowires at each deformed state is evaluated using an equilibrium Green-Kubo approach. Under tensile loading, the [0001]-oriented nanowires with hexagonal cross-sections undergo a phase transformation from wurtzite to a tetragonal structure. The phase transformation is not observed under compressive loading. The thermal conductivity decreases on going from compressive strains to tensile strains. The strain dependence of the thermal conductivity results from the relaxation time of phonon. A reverse transformation from the tetragonal structure to the wurtzite structure is observed during unloading. The thermal conductivities in the intermediate states are lower than the conductivity in the wurtzite structure at same strain. Such differences in the thermal conductivity between different atomic structures are mainly due to changes in the group velocity of phonon.

본 연구에서는 GaN 나노와이어의 인장, 압축, 하중 제거 전산모사를 분자동역학 방법을 통하여 수행하였고, 평형 분자동역학 방법인 Green-Kubo 방법을 이용하여 각각의 변형된 구조의 나노와이어의 열전도율을 구하였다. 단면의 형상이 육각형이고, 길이 방향이 [0001] 격자 방향으로 형성된 나노와이어에 인장 하중이 작용하게 되면 나노와이어의 원자 구조는 초기의 wurtzite 구조에서 정방정계 구조로 변형된다. 초기 상태에 압축 하중이 작용하는 경우에는 상변이 현상은 나타나지 않는다. 압축에서 인장으로 변형률이 증가함에 따라 나노와이어의 열전도율은 감소하는 경향을 나타낸다. 이 같은 열전도율의 변화는 변형률에 따른 포논의 감쇠시간 감소에 의한 것이다. 인장에 의해 변형된 정방정계 구조의 나노와이어에서 인장 하중을 제거하는 경우에는 초기의 wurtzite 구조로의 역상변이 현상이 나타나고, 이와 같은 역상변이 과정에 wurtzite 구조와 정방정계 구조가 동시에 나타나는 중간 단계가 존재한다. 중간 단계의 열전도율은 같은 변형률에서 wurtzite 구조일 때보다 낮은 특성을 갖는다. 내부 원자 구조에 따른 열전도율의 차이는 구조적 변형에 의한 포논의 군속도 변화에 따른 것이다.