Een onderzoeksteam van de Tohoku Universiteit heeft ontdekt dat de verschillende thermische geleidbaarheid van een amorf materiaal met dezelfde samenstelling te wijten is aan de grootte van de atoomringen in de atomaire structuur. Dit is een van de eerste onderzoeken die aantonen dat de structurele kenmerken van amorfe materialen in verband kunnen worden gebracht met hun fysieke eigenschappen.

Het artikel is gepubliceerd in het International Journal of Heat and Mass Transfer .

Het is al mogelijk om amorfe materialen met dezelfde samenstelling maar met verschillende thermische geleidbaarheid te synthetiseren. De structurele factoren die verantwoordelijk zijn voor verschillen in thermische geleidbaarheid moesten echter nog worden geïdentificeerd vanwege een gebrek aan geschikte analytische methoden.

Het was onmogelijk om structurele verschillen tussen amorfe germanium (Ge) materialen met verschillende thermische geleidbaarheid te identificeren, alleen gebaseerd op observatie met een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) met hoge resolutie. Het onderzoeksteam analyseerde TEM-afbeeldingen van amorf Ge-materiaal met behulp van datawetenschapstechnieken (topologische data-analyse en hoofdcomponentenanalyse) en identificeerde structurele verschillen tussen de materialen.

Het team ontdekte dat de atoomstructuren van dunne-filmmonsters die bij lagere temperaturen waren afgezet, meestal werden gedomineerd door kleinere atoomringen (Ge25), terwijl monsters die bij hogere temperaturen waren afgezet grotere hoeveelheden grotere atoomringen bevatten (Ge300).

Er is theoretisch aangetoond dat grotere atoomringen verband houden met een hogere thermische geleidbaarheid. Uit dit onderzoek bleek dat Ge300 een hogere thermische geleidbaarheid had dan Ge25; resultaten die consistent waren met het theoretische bewijs.

De datawetenschapstechnieken die in dit onderzoeksproject zijn ontwikkeld, kunnen worden gebruikt om metastabiele fasen in materialen te identificeren – een taak die onmogelijk te verwezenlijken is met conventionele structurele analysetechnieken. Er wordt daarom verwacht dat deze technieken nuttig zullen zijn bij het ontwikkelen van metastabiele fase-geïntegreerde thermische controlematerialen. Ze kunnen ook nuttig zijn bij het identificeren van structurele kenmerken die verband houden met de mechanische, elektrische en andere eigenschappen van amorfe materialen, naast hun thermische eigenschappen.

Dit onderzoek werd uitgevoerd door een onderzoeksteam bestaande uit Yibin Xu (leider, Data-driven Inorganic Materials Group, Center for Basic Research on Materials, NIMS) en Kazuto Akagi (universitair hoofddocent, Advanced Institute for Materials Research, Tohoku University). Dit werk werd uitgevoerd als onderdeel van een JST CREST Exploring Unknown Materials-project (onderzoekssupervisor:professor Hiroshi Kitagawa).

Meer informatie: Yen-Ju Wu et al, Topologische data-analyse van op TEM gebaseerde structurele kenmerken die de thermische geleidbaarheid van amorfe Ge beïnvloeden, International Journal of Heat and Mass Transfer (2023). DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.125012

Aangeboden door het Nationaal Instituut voor Materiaalwetenschappen