Atomistic Modeling of GaP Nanowire Growth and Heat Transport via Interatomic Potential: Implications for Thermoelectric Applications
Modelagem atomística do crescimento de nanofios de GaP e do transporte de calor por meio de potencial interatômico: implicações para aplicações termoelétricas
Autores:
- Douglas Soares Oliveira
- Danilo P. Kuritza
- Mariana Zavarize
- Jose Eduardo Padilha*
- Mônica Alonso Cotta
* Pesquisador NAPI EZC
Publicado 24 de junho de 2025
Abstract
Atomistic simulations of gallium phosphide (GaP) nanomaterials are limited by the absence of reliable and publicly available interatomic potentials. In this work, we develop and parametrize a classical angular-dependent potential for GaP based on force-matching against density functional theory reference data, enabling accurate large-scale simulations of GaP-based nanoscale systems. The developed potential effectively reproduces essential structural, elastic, and energetic properties of bulk GaP in both zinc-blende and wurtzite phases, despite some deviations from experimental reference values. Through molecular dynamics simulations, we demonstrate the potential’s ability to describe key aspects of self-catalyzed vapor–liquid–solid growth in GaP nanowires, such as nucleation dynamics, temperature stability limits, and the influence of catalyst geometry. Furthermore, thermal transport simulations reveal that the model accurately captures qualitative trends regarding the impact of nanostructure size and surface morphology on thermal conductivity. Additionally, we investigate thermal rectification effects in telescopic GaP nanowires, observing measurable heat-flow asymmetries. These findings provide insights into phonon engineering strategies at the nanoscale, highlighting the relevance of GaP nanostructures for next-generation thermoelectric applications. The interatomic potential presented here will be made publicly available, offering a valuable computational tool for future investigations of GaP nanomaterials.
Resumo
Simulações atomísticas de nanomateriais de fosfeto de gálio (GaP) são limitadas pela ausência de potenciais interatômicos confiáveis e publicamente disponíveis. Neste trabalho, desenvolvemos e parametrizamos um potencial clássico dependente de ângulo para GaP com base em ajuste de forças (force-matching) a partir de dados de referência obtidos por teoria do funcional da densidade, permitindo simulações precisas em larga escala de sistemas nanoestruturados à base de GaP. O potencial desenvolvido reproduz de forma eficaz propriedades estruturais, elásticas e energéticas essenciais do GaP em fase volumétrica, tanto na estrutura zinc-blende quanto wurtzita, apesar de alguns desvios em relação a valores experimentais de referência. Por meio de simulações de dinâmica molecular, demonstramos a capacidade do potencial de descrever aspectos-chave do crescimento vapor–líquido–sólido autocatalisado de nanofios de GaP, como dinâmica de nucleação, limites de estabilidade térmica e a influência da geometria do catalisador. Além disso, simulações de transporte térmico revelam que o modelo captura com precisão tendências qualitativas relacionadas ao impacto do tamanho da nanoestrutura e da morfologia superficial na condutividade térmica. Adicionalmente, investigamos efeitos de retificação térmica em nanofios telescópicos de GaP, observando assimetrias mensuráveis no fluxo de calor. Esses resultados fornecem insights para estratégias de engenharia de fônons em escala nanométrica, destacando a relevância de nanoestruturas de GaP para aplicações termoelétricas de próxima geração. O potencial interatômico apresentado será disponibilizado publicamente, oferecendo uma ferramenta computacional valiosa para futuras investigações de nanomateriais de GaP.
Essa pesquisa
contribui para as seguintes ODS:
