Strain-invariant electrical and thermal transport via potential barrier engineering in conductive nanocomposites

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Tunneling enables electrons and phonons to traverse thin potential barriers, offering a route to transport mechanisms that deviate from classical diffusive behavior. In this study, we engineered nanocomposite architecture in which both charge and heat carriers propagate across nanoscale gaps within absence of additional scattering, giving ballistic-like, strain-invariant transport response. This behavior is achieved through in-situ formation of silver nanosatellite particles (~3.6 nm), creating ultrashort tunneling barriers (~4.1 nm) within cross-linked silicone rubber matrix. The barrier height is independently tuned from 0.13 eV to ~0 eV by adjusting the crosslinker concentration (0-7 wt%), enabling orthogonal control over the tunneling width and height.
When both barrier parameters approach the quantum-limited regime, the nanocomposite exhibits exceptionally high electrical (24,390 Scm-1) and thermal conductivities (21.94 Wm-1K-1), which not only surpass those of non-crosslinked systems by several orders of magnitude but further increase under tensile strain up to ~20%. Analysis based on percolation theory, and Simmon’s tunneling model reveals three distinct transport regimes-diffusive, tunneling, and constant-conductance-where the latter reflects ballistic-like transport with negligible strain dependence. Importantly, this regime is accompanied by a remarkably strain-invariant temperature profile in foldable smart phone application, confirming that heat flow across nanoscale gap remains uninterrupted even when the material is deformed.
The ability to maintain constant thermal resistance and conductivity under mechanical strain demonstrates how nanoscale barrier engineering can fundamentally reshape heat and charge transport in soft materials. This framework provides a scalable design principle for next-generation stretchable conductors, deformation-insensitive heat spreaders, and reliable thermal management layers for wearable, soft-robotic, and foldable electronic systems.

국문 초록 (Abstract)

터널링 현상은 전자와 포논이 매우 얇은 에너지 장벽을 통과하도록 하여, 기존의 확산 지배적 거동과는 다른 새로운 전도 메커니즘을 가능하게 한다. 본 연구에서는 전하 및 열 운반자가 나노미터 규모의 간극을 추가적인 산란 없이 통과할 수 있는 나노복합소재 구조를 구현하였으며, 이를 통해 기계적 변형과 무관하게 유지되는 준-발리스틱(ballistic-like) 전·열전도 특성을 규명하였다. 이러한 거동은 평균 3.6 nm 크기의 은 나노새틀라이트 입자를 in-situ 방식으로 형성하여 약 4.1 nm의 초미세 터널링 장벽을 구축함으로써 실현되며, 가교제 함량(0-7 wt%) 조절을 통해 장벽 높이 또한 0.13 eV에서 약 0 eV로 독립적으로 제어하였다.
장벽 폭과 장벽 높이가 모두 양자적 한계에 접근하는 조건에서는, 본 나노복합소재가 매우 높은 전기전도도(24,390 Scm-1)와 열전도도(21.94 Wm-1K-1)를 나타냄을 확인하였다. 이러한 특성은 비가교 소재 대비 수십 배 이상 향상된 것이며, 약 20% 범위의 인장 변형이 가해져도 오히려 증가하는 독특한 전도 거동을 보였다. 퍼콜레이션 모델 및 Simmons 터널링 이론 기반 분석을 통해 확산 지배 영역, 터널링 영역, 일정 전도(constant-conductance) 영역의 세 가지 전도 모드를 규명하였으며, 이 중 일정 전도 영역은 변형 의존성이 거의 없는 준-발리스틱 전달 특성을 나타낸다. 특히 이 영역에서는 폴더블 스마트폰 힌지부 적용시 변형에 따라 온도가 변화하지 않는다는 점이 확인되었으며, 이는 나노갭을 통한 열 흐름이 외부 변형에도 불구하고 차단되지 않음을 의미한다.
본 연구는 기계적 변형 하에서도 일정한 열·전기적 특성을 유지할 수 있는 나노스케일 장벽 공학의 설계 원리를 제시하며, 차세대 신축성 전도체, 변형 무감응 열전달층, 폴더블 및 웨어러블 전자기기의 안정적 열관리 소재 개발에 중요한 기반을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1-1. Research background 1
• 1-2. Motivation and strategy 4
• Chapter 2. Experimental Section 7
• 2-1. Synthesis of AgFL-AgNS-SRDDTP, AgFL-SRDDTP nanocomposites 7
• 2-2. Characterization 8
• Chapter 3. Results and Discussions 10
• 3-1. Barrier width modulation by AgNS particles 10
• 3-2. Thermal and electrical transport analysis 21
• 3-3. Wiedemann-Franz law analysis 35
• 3-4. Demonstration of ballistic-like heat transport in foldable smartphone 44
• Chapter 4. Conclusion and future work 49
• 4-1. Conclusion 49
• 4-2. Future work 50
• References 51
• 논문요약 57