The thermal conductivity of polycrystalline graphene is expected to be lower than that of pristine graphene, due to the existence of defects, such as grain boundaries (GBs). To study the thermal transport behavior in polycrystalline graphene, it is crucial to understand the thermal conductivity of graphene GBs as a function of the tilt GB misorientation angle and in-plane thermal loading angle. However, existing studies of thermal conductivity of graphene GBs only consider the case where the thermal flux is perpendicular or parallel to the graphene GB. To address this issue, here we perform systematic non-equilibrium molecular dynamics simulations and investigate the thermal conductivity of graphene GBs for all possible tilt GB misorientation angles (23 cases) under arbitrary in-plane thermal loading directions. The findings from the present study can offer quantitative guidance for using polycrystalline graphene in thermal devices and flexible electronics applications.

1.
K. S.
Novoselov
,
V. I.
Fal’ko
,
L.
Colombo
,
P. R.
Gellert
,
M. G.
Schwab
, and
K.
Kim
,
Nature
490
,
192
(
2012
).
2.
K. M. F.
Shahil
and
A. A.
Balandin
,
Solid State Commun.
152
,
1331
(
2012
).
3.
C.
Lee
,
X.
Wei
,
J. W.
Kysar
, and
J.
Hone
,
Science
321
,
385
(
2008
).
4.
D.
Akinwande
,
C. J.
Brennan
,
J. S.
Bunch
,
P.
Egberts
,
J. R.
Felts
,
H.
Gao
,
R.
Huang
,
J. S.
Kim
,
T.
Li
,
Y.
Li
,
K. M.
Liechti
,
N.
Lu
,
H. S.
Park
,
E. J.
Reed
,
P.
Wang
,
B. I.
Yakobson
,
T.
Zhang
,
Y. W.
Zhang
,
Y.
Zhou
, and
Y.
Zhu
,
Extrem. Mech. Lett.
13
,
42
(
2017
).
5.
A. K.
Geim
and
K. S.
Novoselov
,
Nat. Mater.
6
,
183
(
2007
).
6.
J. K.
Wassei
and
R. B.
Kaner
,
Mater. Today
13
,
52
(
2010
).
7.
R. R.
Nair
,
P.
Blake
,
A. N.
Grigorenko
,
K. S.
Novoselov
,
T. J.
Booth
,
T.
Stauber
,
N. M. R.
Peres
, and
A. K.
Geim
,
Science
320
,
1308
(
2008
).
8.
X.
Xu
,
N. M.
Gabor
,
J. S.
Alden
,
A. M.
Van Der Zande
, and
P. L.
McEuen
,
Nano Lett.
10
,
562
(
2010
).
9.
S.
Ghosh
,
W.
Bao
,
D. L.
Nika
,
S.
Subrina
,
E. P.
Pokatilov
,
C. N.
Lau
, and
A. A.
Balandin
,
Nat. Mater.
9
, 555 (
2010
).
10.
D. L.
Nika
,
E.
Pokatilov
, and
A.
Balandin
,
Phys. Status Solidi (B)
248
,
2609
(
2011
).
11.
A.
Balandin
,
S.
Ghosh
,
W.
Bao
,
I.
Calizo
,
D.
Teweldebrhan
,
F.
Miao
, and
C. N.
Lau
,
Nano Lett.
8
,
902
(
2008
).
12.
S.
Ghosh
,
I.
Calizo
,
D.
Teweldebrhan
,
E. P.
Pokatilov
,
D. L.
Nika
,
A. A.
Balandin
,
W.
Bao
,
F.
Miao
, and
C. N.
Lau
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
151911
(
2008
).
13.
J.
Hu
,
X.
Ruan
, and
Y. P.
Chen
,
Nano Lett.
9
,
2730
(
2009
).
14.
B.
Mortazavi
and
S.
Ahzi
,
Carbon
63
,
460
(
2013
).
15.
T. Y.
Ng
,
J. J.
Yeo
, and
Z. S.
Liu
,
Carbon
50
,
4887
(
2012
).
16.
J.
Haskins
,
A.
Kinaci
,
C.
Sevik
,
H.
Sevinçli
,
G.
Cuniberti
, and
T.
Cagin
,
ACS Nano
5
,
3779
(
2011
).
17.
U.
Ray
and
G.
Balasubramanian
,
Chem. Phys. Lett.
599
,
154
(
2014
).
18.
S.
Srinivasan
,
U.
Ray
, and
G.
Balasubramanian
,
Chem. Phys. Lett.
650
,
88
(
2016
).
19.
S.
Broderick
,
U.
Ray
,
S.
Srinivasan
,
K.
Rajan
, and
G.
Balasubramanian
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
243110
(
2014
).
20.
H.
Zhang
,
G.
Lee
,
A. F.
Fonseca
,
T. L.
Borders
, and
K.
Cho
,
J. Nanomater.
2010
,
1
(
2010
).
21.
S.
Chen
,
Q.
Wu
,
C.
Mishra
,
J.
Kang
,
H.
Zhang
,
K.
Cho
,
W.
Cai
,
A. A.
Balandin
, and
R. S.
Ruoff
,
Nat. Mater.
11
,
203
(
2012
).
22.
C.
Wang
,
Y.
Liu
,
L.
Li
, and
H.
Tan
,
Nanoscale
6
,
5703
(
2014
).
23.
P. Y.
Huang
,
C. S.
Ruiz-Vargas
,
A. M.
van der Zande
,
W. S.
Whitney
,
M. P.
Levendorf
,
J. W.
Kevek
,
S.
Garg
,
J. S.
Alden
,
C. J.
Hustedt
,
Y.
Zhu
,
J.
Park
,
P. L.
McEuen
, and
D. A.
Muller
,
Nature
469
,
389
(
2011
).
24.
Z. L.
Li
,
Z. M.
Li
,
H. Y.
Cao
,
J. H.
Yang
,
Q.
Shu
,
Y. Y.
Zhang
,
H. J.
Xiang
, and
X. G.
Gong
,
Nanoscale
6
,
4309
(
2014
).
25.
N.
Khosravian
,
M. K.
Samani
,
G. C.
Loh
,
G. C. K.
Chen
,
D.
Baillargeat
, and
B. K.
Tay
,
Comput. Mater. Sci.
79
,
132
(
2013
).
26.
K. S.
Kim
,
Y.
Zhao
,
H.
Jang
,
S. Y.
Lee
,
J. M.
Kim
,
K. S.
Kim
,
J.-H.
Ahn
,
P.
Kim
,
J.-Y.
Choi
, and
B. H.
Hong
,
Nature
457
,
706
(
2009
).
27.
Q.
Yu
,
J.
Lian
,
S.
Siriponglert
,
H.
Li
,
Y. P.
Chen
, and
S. S.
Pei
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
113103
(
2008
).
28.
X.
Li
,
W.
Cai
,
J.
An
,
S.
Kim
,
J.
Nah
,
D.
Yang
,
R.
Piner
,
A.
Velamakanni
,
I.
Jung
,
E.
Tutuc
,
S. K.
Banerjee
,
L.
Colombo
, and
R. S.
Ruoff
,
Science
324
,
1312
(
2009
).
29.
M. P.
Levendorf
,
C. S.
Ruiz-Vargas
,
S.
Garg
, and
J.
Park
,
Nano Lett.
9
,
4479
(
2009
).
30.
S. N.
Raja
,
D.
Osenberg
,
K.
Choi
,
H. G.
Park
, and
D.
Poulikakos
,
Nanoscale
9
,
15515
(
2017
).
31.
Q.
Yu
,
L. A.
Jauregui
,
W.
Wu
,
R.
Colby
,
J.
Tian
,
Z.
Su
,
H.
Cao
,
Z.
Liu
,
D.
Pandey
,
D.
Wei
,
T. F.
Chung
,
P.
Peng
,
N. P.
Guisinger
,
E. A.
Stach
,
J.
Bao
,
S. S.
Pei
, and
Y. P.
Chen
,
Nat. Mater.
10
,
443
(
2011
).
32.
H.
Wang
,
G.
Wang
,
P.
Bao
,
S.
Yang
,
W.
Zhu
,
X.
Xie
, and
W. J.
Zhang
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
3627
(
2012
).
33.
B. I.
Yakobson
and
F.
Ding
,
ACS Nano
5
,
1569
(
2011
).
34.
K.
Kim
,
Z.
Lee
,
W.
Regan
,
C.
Kisielowski
,
M. F.
Crommie
, and
A.
Zettl
,
ACS Nano
5
,
2142
(
2011
).
35.
R.
Grantab
,
V. B.
Shenoy
, and
R. S.
Ruoff
,
Science
330
,
946
(
2010
).
36.
O. V.
Yazyev
and
S. G.
Louie
,
Phys. Rev. B
81
,
1
(
2010
).
37.
H.
Zhang
,
G.
Lee
,
C.
Gong
,
L.
Colombo
, and
K.
Cho
,
J. Phys. Chem. C
118
,
2338
(
2014
).
38.
A.
Bagri
,
S. P.
Kim
,
R. S.
Ruoff
, and
V. B.
Shenoy
,
Nano Lett.
11
,
3917
(
2011
).
39.
T. B.
Limbu
,
K. R.
Hahn
,
F.
Mendoza
,
S.
Sahoo
,
J. J.
Razink
,
R. S.
Katiyar
,
B. R.
Weiner
, and
G.
Morell
,
Carbon
117
,
367
(
2017
).
40.
M.
Shavikloo
and
S.
Kimiagar
,
Comput. Mater. Sci.
139
,
330
(
2017
).
41.
P.
Wang
,
B.
Gong
,
Q.
Feng
, and
H. T.
Wang
,
Acta Mech. Sin.
28
,
1
(
2012
).
42.
H. Y.
Cao
,
H.
Xiang
, and
X. G.
Gong
,
Solid State Commun.
152
,
1807
(
2012
).
43.
H. K.
Liu
,
Y.
Lin
, and
S. N.
Luo
,
J. Phys. Chem. C
118
,
24797
(
2014
).
44.
A. Y.
Serov
,
Z.-Y.
Ong
, and
E.
Pop
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
033104
(
2013
).
45.
S.
Tang
and
Y.
Kulkarni
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
213113
(
2013
).
46.
T. H.
Liu
,
S. C.
Lee
,
C. W.
Pao
, and
C. C.
Chang
,
Carbon
73
,
432
(
2014
).
47.
A.
Cao
and
J.
Qu
,
J. Appl. Phys.
112
,
013503
(
2012
).
48.
A.
Fox
,
U.
Ray
, and
T.
Li
,
Carbon
142
,
388
(
2019
).
49.
S.
Plimpton
,
J. Comput. Phys.
117
,
1
(
1995
).
50.
L.
Lindsay
and
D. A.
Broido
,
Phys. Rev. B
81
,
205441
(
2010
).
51.
L. M.
Sandonas
,
H.
Sevinçli
,
R.
Gutierrez
, and
G.
Cuniberti
,
Adv. Sci.
5
(
2018
).
52.
A. A.
Balandin
,
Nat. Mater.
10
,
569
(
2011
).
53.
D. L.
Nika
and
A. A.
Balandin
,
J. Phys. Condens. Matter
24
,
233203
(
2012
).
54.
A.
Glatz
and
I. S.
Beloborodov
,
Phys. Rev. B
80
,
245440
(
2009
).
55.
J.
Turney
,
E.
Landry
,
A.
McGaughey
, and
C.
Amon
,
Phys. Rev. B
79
,
064301
(
2009
).
56.
N.
Wei
,
L.
Xu
,
H. Q.
Wang
, and
J. C.
Zheng
,
Nanotechnology
22
,
105705
(
2011
).
57.
M.
Park
,
S. C.
Lee
, and
Y. S.
Kim
,
J. Appl. Phys.
114
,
053506
(
2013
).
You do not currently have access to this content.