Thermal conductivity of silicon nanowires: From fundamentals to phononic engineering

Physica Status Solidi - Rapid Research Letters

Volumn 7, Issue 10, 2013, Pages 754-766

  Zhang, Gang ^a   Zhang, Yong Wei ^a  

^a INSTITUTE OF HIGH PERFORMANCE COMPUTING   (Singapore)

Author keywords

Phononic engineering; Silicon nanowires; Thermal conductivity; Thermal management

Indexed keywords

FUNDAMENTAL PHYSICS; INTERFACE COMPATIBILITIES; PHONON FREQUENCIES; SCATTERING MECHANISMS; SILICON NANOWIRES; SILICON-BASED ELECTRONICS; THEORETICAL CALCULATIONS; THERMAL CONDUCTION;

NANOWIRES; SILICON; TEMPERATURE CONTROL;

THERMAL CONDUCTIVITY;

EID: 84885762105     PISSN: 18626254     EISSN: 18626270     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/pssr.201307188     Document Type: Article

References (118)

1. Y. Li, F. Qian, J. Xiang, and C. M. Lieber, Mater. Today 9, 18 (2006).
2. W. Lu and C. M. Lieber, Nature Mater. 6, 841 (2007).
3. W. Lu, J. Xiang, B. P. Timko, Y. Wu, and C. M. Lieber, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 10046 (2005).
4. Y. Cui, Q. Wei, H. Park, and C. M. Lieber, Science 293, 1289 (2001).
5. G.-J. Zhang, G. Zhang, H. J. Chua, R.-E. Chee, E. H. Wong, A. Agarwal, K. D. Buddharaju, N. Singh, Z. Gao, and N. Balasubramanian, Nano Lett. 8, 1066 (2008).
6. S. Ren, L.-Y. Chang, S. K. Lim, J. Zhao, M. Smith, N. Zhao, V. Bulović, M. Bawendi, and S. Gradečak, Nano Lett. 11, 3998 (2011).
7. F. Limbach, C. Hauswald, J. Lähnemann, M. Wölz, O. Brandt, A. Trampert, M. Hanke, U. Jahn, R. Calarco, L. Geelhaar, and H. Riechert, Nanotechnology 23, 465301 (2012).
8. Q. Gao, H. J. Joyce, S. Paiman, J. H. Kang, H. H. Tan, Y. Kim, L. M. Smith, H. E. Jackson, J. M. Yarrison-Rice, X. Zhang, J. Zou, and C. Jagadish, Phys. Status Solidi C 6, 2678 (2009).
9. S. M. Wong, H. Y. Yu, J. S. Li, G. Zhang, Patrick G. Q. Lo, and D. L. Kwong, IEEE Electron Device Lett. 31, 335 (2010).
10. R. Q. Zhang, Y. Lifshitz, and S. T. Lee, Adv. Mater. 15, 635 (2003).
11. L. D. Hicks and M. S. Dresselhaus, Phys. Rev. B 47, 16631 (1993).
12. G. Zhang, Q. Zhang, C.-T. Bui, G.-Q. Lo, and B. Li, Appl. Phys. Lett. 94, 213108 (2009).
13. G. Zhang, Q.-X. Zhang, D. Kavitha, and G.-Q. Lo, Appl. Phys. Lett. 95, 243104 (2009).
14. L. Shi, D. Yao, G. Zhang, and B. Li, Appl. Phys. Lett. 95, 063102 (2009).
15. L. Shi, D. Yao, G. Zhang, and B. Li, Appl. Phys. Lett. 96, 173108 (2010).
16. A. Shakouri, Annu. Rev. Mater. Res. 41, 399 (2011).
17. J. Zhou and R. Yang, Appl. Phys. Lett. 98, 173107 (2011).
18. A. I. Hochbaum, R. Chen, R. D. Delgado, W. Liang, E. C. Garnett, M. Najarian, A. Majumdar, and P. Yang, Nature 451, 163 (2008).
19. A. I. Boukai, Y. Bunimovich, J. T. Kheli, J.-K. Yu, W. A. Goddard III, and J. R. Heath, Nature 451, 168 (2008).
20. L. Shi, D. Li, C. Yu, W. Jang, Z. Yao, and A. Majumdar, ASME J. Heat Transfer 125, 881 (2003).
21. C. T. Harris, J. A. Martinez, E. A. Shaner, J. Y. Huang, B. S. Swartzentruber, J. P. Sullivan, and G. Chen, Nanotechnology 22, 275308 (2011).
22. K. Hippalgaonkar, B. Huang, R. Chen, K. Sawyer, P. Ercius, and A. Majumdar, Nano Lett. 10, 4341 (2010).
23. J. Zou and A. Balandin, J. Appl. Phys. 89, 2932 (2001).
24. Y. Chen, D. Li, J. Lukes, and A. Majumdar, ASME J. Heat Transfer 127, 1129 (2005).
25. N. Mingo, L. Yang, D. Li, and A. Majumdar, Nano Lett. 3, 1713 (2003).
26. W.-X. Li, K.-Q. Chen, W. Duan, J. Wu, and B.-L. Gu, J. Phys. D 36, 3027 (2003).
27. G. Chen, Int. J. Thermal Sci. 39, 471 (2000).
28. Y. Dubi and M. Di Ventra, Rev. Mod. Phys. 83, 131 (2011).
29. N. Yang, G. Zhang, and B. Li, Nano Today 5, 85 (2010).
30. J. E. Turney, A. J. H. McGaughey, and C. H. Amon, Phys. Rev. B 79, 224305 (2009).
31. J. Chen, G. Zhang, and B. Li, Phys. Lett. A 374, 2392 (2010).
32. A. Dhar, Adv. Phys. 57, 457 (2008).
33. N. Li, J. Ren, L. Wang, G. Zhang, P. Hänggi, and B. Li, Rev. Mod. Phys. 84, 1045 (2012).
34. S. Liu, X. Xu, R. Xie, G. Zhang, and B. Li, Eur. Phys. J. B 85, 337 (2012).
35. G. Zhang (Ed.), Nanoscale Energy Transport and Harvesting: A Computational Study (Pan Stanford Publishing, Singapore, 2013).
36. A. A. Balandina and D. L. Nika, Mater. Today 15, 266 (2012).
37. D. G. Cahill, MRS Bull. 37, 855 (2012).
38. G. Zhang and B. Li, Nanoscale 2, 1058 (2010).
39. N. Yang, X. Xu, G. Zhang, and B. Li, AIP Adv. 2, 041410 (2012).
40. E. Pop, Nano Res. 3, 147 (2010).
41. A. A. Balandin, J. Nanosci. Nanotechnol. 5, 7 (2005).
42. A. A. Balandin, E. P. Pokatilov, and D. L. Nika, J. Nanoelectron. Optoelectron. 2, 140 (2007).
43. K. Esfarjani, G. Chen, and H. T. Stokes, Phys. Rev. B 84, 085204 (2011).
44. S. Volz and G. Chen, Appl. Phys. Lett. 75, 2056 (1999).
45. D. Li, Y. Wu, P. Kim, L. Shi, P. Yang, and A. Majumdar, Appl. Phys. Lett. 83, 2934 (2003).
46. J. A. Pascual-Gutierrez, J. Y. Murthy, and R. Viskanta, J. Appl. Phys. 102, 034315 (2007).
47. E. P. Pokatilov, D. L. Nika, and A. A. Balandin, J. Superlattices Microstruct. 38, 168 (2005).
48. E. P. Pokatilov, D. L. Nika, and A. A. Balandin, Phys. Rev. B 72, 113311 (2005).
49. D. L. Nika, E. P. Pokatilov, A. A. Balandin, V. M. Fomin, A. Rastelli, and O. G. Schmidt, Phys. Rev. B 84, 165415 (2011).
50. D. Yao, G. Zhang, and B. Li, Nano Lett. 8, 4557 (2008).
51. D. Yao, G. Zhang, G.-Q. Lo, and B. Li, Appl. Phys. Lett. 94, 113113 (2009).
52. J. Chen, G. Zhang, and B. Li, J. Chem. Phys. 135, 204705 (2011).
53. S. G. Walkauskas, D. A. Broido, K. Kempa, and T. L. Reinecke, J. Appl. Phys. 85, 2579 (1999).
54. L. H. Liang and B. Li, Phys. Rev. B 73, 153303 (2006).
55. T. Markussen, A.-P. Jauho, and M. Brandbyge, Nano Lett. 8, 3771 (2008).
56. A. Paul, M. Luisier, and G. Klimeck, J. Appl. Phys. 110, 114309 (2011).
57. S. K. Estreicher, D. West, J. Goss, S. Knack, and J. Weber, Phys. Rev. Lett. 90, 035504 (2003).
58. G. Zhang and B. Li, J. Chem. Phys. 123, 114714 (2005).
59. C. W. Chang, A. M. Fennimore, A. Afanasiev, D. Okawa, T. Ikuno, H. Garcia, D. Li, A. Majumdar, and A. Zettl, Phys. Rev. Lett. 97, 085901 (2006).
60. T. Yamamoto and K. Watanabe, Phys. Rev. Lett. 96, 255503 (2006).
61. N. Yang, G. Zhang, and B. Li, Nano Lett. 8, 276 (2008).
62. O. Moutanabbir, S. Senz, Z. Zhang, and U. Gösele, Nano Today 4, 393 (2009).
63. K.-Q. Chen, W.-X. Li, W. Duan, Z. Shuai, and B.-L. Gu, Phys. Rev. B 72, 045422 (2005).
64. L.-Y. Nie, L. Wang, L. H. Zhao, W.-Q. Huang, L.-M. Tang, X.-J. Wang, and K.-Q. Chen, Phys. Lett. A 359, 234 (2006).
65. Z.-X. Xie, K.-Q. Chen, and L.-M. Tang, J. Appl. Phys. 110, 124321 (2011).
66. A. L. Moore, S. K. Saha, R. S. Prasher, and L. Shi, Appl. Phys. Lett. 93, 083112 (2008).
67. P. Martin, Z. Aksamija, E. Pop, and U. Ravaioli, Phys. Rev Lett. 102, 125503 (2009).
68. P. Martin, Z. Aksamija, E. Pop, and U. Ravaioli, Nano Lett. 10, 1120 (2010).
69. F. Sansoz, Nano Lett. 11, 5378 (2011).
70. D. L. Nika, A. I. Cocemasov, C. I. Isacova, A. A. Balandin, V. M. Fomin, and G. O. Schmidt, Phys. Rev. B 85, 205439 (2012).
71. J. Sadhu and S. Sinha, Phys. Rev. B 84, 115450 (2011)
72. J. Lim, K. Hippalgaonkar, S. C. Andrews, A. Majumdar, and P. Yang, Nano Lett. 12, 2475 (2012).
73. A. J. Lu, R. Q. Zhang, and S. T. Lee Jr., Appl. Phys. Lett. 92, 203109 (2007).
74. H. P. Li, A. De Sarkar, and R. Q. Zhang Jr., Europhys. Lett. 96(5), 56007 (2011).
75. T. Markussen, A.-P. Jauho, and M. Brandbyge, Phys. Rev. Lett. 103, 055502 (2009).
76. J. Chen, G. Zhang, and B. Li, Nano Lett. 10, 3978 (2010).
77. R. Yang, G. Chen, and M. S. Dresselhaus, Phys. Rev. B 72, 125418 (2005).
78. Y. He, D. Donadio, and G. Galli, Nano Lett. 11, 3608 (2011).
79. Y. He, D. Donadio, and G. Galli, Appl. Phys. Lett. 98, 144101 (2011).
80. D. Donadio and G. Galli, Phys. Rev. Lett. 102, 195901 (2009).
81. D. Donadio and G. Galli, Nano Lett. 10, 847 (2010).
82. B. Yang and G. Chen, Phys. Rev. B 67, 195311 (2003).
83. P. K. Schelling, S. R. Phillpot, and P. Keblinski, Appl. Phys. Lett. 80, 2484 (2002).
84. W.-X. Li, K.-Q. Chen, W. Duan, J. Wu, and B.-L. Gu, Phys. Lett. A 308, 285 (2003).
85. H. Zhao and J. B. Freund, J. Appl. Phys. 105, 013515 (2009).
86. D. Singh, J. Y. Murthy, and T. S. Fisher, ASME J. Heat Transfer 133, 122401 (2011).
87. Y. Chalopin, K. Esfarjani, A. Henry, S. Volz, and G. Chen, Phys. Rev. B 85, 195302 (2012).
88. Z. Tian, K. Esfarjani, and G. Chen, Phys. Rev. B 86, 235304 (2012).
89. I. Savic, D. Donadio, F. Gygi, and G. Galli, Appl. Phys. Lett. 102, 073113 (2013).
90. D. Li, Y. Wu, R. Fan, P. Yang, and A. Majumdar, Appl. Phys. Lett. 83, 3186 (2003).
91. C. Dames and G. Chen, J. Appl. Phys. 95, 682 (2004).
92. J. Chen, G. Zhang, and B. Li, Appl. Phys. Lett. 95, 073117 (2009).
93. M. Hu and D. Poulikakos, Nano Lett. 12, 5487 (2012).
94. L. Shi, J. Jiang, G. Zhang, and B. Li, Appl. Phys. Lett. 101, 233114 (2012).
95. Y. Chen, D. Li, J. R. Lukes, Z. Ni, and M. Chen, Phys. Rev. B 72, 174302 (2005).
96. J. Garg, N. Bonini, and N. Marzari, Nano Lett. 11, 5135 (2011).
97. R. Venkatasubramanian, Phys. Rev. B 61, 3091 (2000).
98. E. S. Landry and A. J. H. McGaughey, Phys. Rev. B 79, 075316 (2009).
99. J. Xiang, W. Lu, Y. Hu, Y. Wu, H. Yan, and C. M. Lieber, Nature 441, 489 (2006).
100. J. Xiang, A. Vidan, M. Tinkham, R. Westervelt, and C. M. Lieber, Nature Nanotechnol. 1, 208 (2006).
101. R. Yang, G. Chen, and M. S. Dresselhaus, Nano Lett. 5, 1111 (2005).
102. R. Prasher, Appl. Phys. Lett. 89, 063121 (2006).
103. M. Hu, K. P. Giapis, J. V. Goicochea, X. Zhang, and D. Poulikakos, Nano Lett. 11, 618 (2011).
104. M. Hu, X. Zhang, K. P. Giapis, and D. Poulikakos, Phys. Rev. B 84, 085442 (2011).
105. J. Chen, G. Zhang, and B. Li, J. Chem. Phys. 135, 104508 (2011).
106. J. Chen, G. Zhang, and B. Li, Nano Lett. 12, 2826 (2012).
107. M. C. Wingert, Z. C. Y. Chen, E. Dechaumphai, J. Moon, J.-H. Kim, J. Xiang, and R. Chen, Nano Lett. 11, 5507 (2011).
108. T. Markussen, Nano Lett. 12, 4698 (2012).
109. J. Moon, J.-H. Kim, Z. C. Y. Chen, J. Xiang, and R. Chen, Nano Lett. 13, 1196 (2013).
110. A. Balandin and K. L. Wang, Phys. Rev. B 58, 1544 (1998).
111. H. Zhang and S.-C. Zhang, Phys. Status Solidi RRL 7, 72 (2013).
112. J. J. Cha, K. J. Koski, and Y. Cui, Phys. Status Solidi RRL 7, 15 (2013).
113. M. N. Luckyanova, J. Garg, K. Esfarjani, A. Jandl, M. T. Bulsara, A. J. Schmidt, A. J. Minnich, S. Chen, M. S. Dresselhaus, Z. Ren, E. A. Fitzgerald, and G. Chen, Science 338, 936 (2012).
114. J. Ma, B. R. Parajuli, M. G. Ghossoub, A. Mihi, J. Sadhu, P. V. Braun, and S. Sinha, Nano Lett. 13, 618 (2013).
115. E. Dechaumphai and R. Chen, J. Appl. Phys. 111, 073508 (2012).
116. J. K. Yu, S. Mitrovic, D. Tham, J. Varghese, and J. R. Heath, Nature Nanotechnol. 5, 718 (2010).
117. J. Chen, G. Zhang, and B. Li, J. Appl. Phys. 112, 064319 (2012).
118. G. Zhang and Q. Shi, Appl. Phys. Lett. 100, 173104 (2012).