Condutividade Térmica Dependente de Deformação de Estruturas Penta-Dimensionais

O alótropo de carbono bidimensional (2D) chamado penta-grafeno foi recentemente proposto a partir de cálculos de primeiros princípios, e várias estruturas penta-similares surgiram. Apesar do esforço significativo dedicado às estruturas eletrônicas e propriedades mecânicas, pouca pesquisa foi focada no transporte térmico em estruturas penta. Motivados por isso, realizamos um estudo comparativo das propriedades de transporte térmico de três estruturas pentagonais representativas, a saber, penta-grafeno, penta-SiC2 e penta-SiN2, resolvendo a equação de transporte de Boltzmann de fônons com constantes de força interatômica extraídas de cálculos de primeiros princípios. Inesperadamente, a condutividade térmica das três estruturas penta apresenta uma dependência de deformação diversificada, apesar de suas estruturas geométricas muito semelhantes. Enquanto a condutividade térmica do penta-grafeno exibe uma redução monotônica padrão ao ser alongada, o penta-SiC2 possui um comportamento não monotônico incomum de subir e descer. Mais interessante ainda, a condutividade térmica do penta-SiN2 tem um aumento de 1 ordem de magnitude devido à transição de estrutura de deforma induzida para planar. O mecanismo que rege a dependência de deformação diversificada é identificado como a competição entre a mudança da velocidade de grupo de fônons e a duração de vida dos modos de fônons acústicos, com efeito combinado da transição de estrutura única para penta-SiN2. O comportamento de transporte térmico disparatado é ainda correlacionado à natureza de ligação fundamentalmente diferente nas estruturas atômicas, com evidências sólidas provenientes da distribuição da densidade de carga de deformação e uma análise mais aprofundada dos orbitais moleculares. A ajustabilidade gigante e robusta da condutividade térmica relatada pode inspirar pesquisas intensivas em outros derivados de estruturas penta como materiais potenciais para dispositivos nanoeletrônicos emergentes. A física fundamental compreendida a partir deste estudo também solidifica a estratégia para projetar propriedades de transporte térmico de materiais 2D amplos por meio de simples deformações mecânicas.