Polykristallen zijn vaste materialen die zijn opgebouwd uit veel kleine kristallen. De punten waar de kristallen elkaar ontmoeten, staan ​​​​bekend als korrelgrenzen (GB's). GB's zijn belangrijk omdat ze van invloed kunnen zijn op de manier waarop de vaste stof zich gedraagt. Conventionele analysetechnieken zijn echter niet in staat om het detail op nanoschaal bij GB's te meten. Nu hebben onderzoekers van het Instituut voor Industriële Wetenschappen van de Universiteit van Tokyo gebruik gemaakt van elektronenenergieverliesspectroscopie (EELS) om het effect van verwarming op de GB's van strontiumtitanaat (SrTiO₃ ). Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Nano Letters .

GB's beïnvloeden de manier waarop ionen door een materiaal bewegen, de manier waarop het geleidt en reageert op warmte, en de manier waarop het reageert wanneer er krachten worden uitgeoefend. Ze spelen daarom een ​​belangrijke rol bij de beslissing of een materiaal geschikt is voor een bepaald doel.

De thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) geeft aan hoe de grootte van een materiaal verandert wanneer het wordt verwarmd. Als dit rond de GB's anders is dan in de bulk van een materiaal, kunnen er scheuren ontstaan. Dit kan leiden tot grootschalige storingen, die ernstige gevolgen kunnen hebben voor de structuur of het proces waarin het materiaal is gebruikt.

De technieken die conventioneel worden gebruikt om lokale thermische uitzetting te onderzoeken, hebben niet de resolutie op nanoschaal die nodig is om de uitzetting rond de GB's direct te meten. De onderzoekers gebruikten daarom EELS met scanning-elektronenmicroscopie om de resolutie te verbeteren.

"We hebben gekeken naar de thermische uitzetting rond twee verschillende GB's in SrTiO₃ - een waar de korrels elkaar ontmoetten onder een hoek van 36,8° (die de specifieke naam S5 heeft) en een andere waar ze elkaar ontmoetten bij 45°, "legt studie eerste auteur Kunyen Liao uit. "Specifiek hebben we onderzocht hoe de CTE loodrecht op deze GB's veranderde wanneer de temperatuur werd verhoogd tot 100-700°C."

Het bleek dat de CTE loodrecht op de S5 GB 3 keer groter was dan de uitbreiding in de bulk, terwijl die loodrecht op de 45° GB slechts 1,4 keer groter was. De bevindingen leveren direct gemeten bewijs dat GB's de CTE verbeteren, wat belangrijke implicaties heeft voor het kiezen van toepassingsspecifieke materialen.

"Naast het onthullen van de variatie in thermodynamische eigenschappen bij verschillende GB's in SrTiO₃ , tonen onze bevindingen het potentieel aan van EELS voor het leveren van details op nanoschaal van lokale eigenschappen", zegt de corresponderende auteur van de studie, Teruyasu Mizoguchi. "We hopen dat onze studie een middel zal bieden om de lokale thermische eigenschappen van een reeks verschillende materialen vast te stellen en de selectie zal helpen proces voor veel producten, van auto-onderdelen tot elektronica." + Verder verkennen

Het visualiseren van temperatuurtransport:een onverwachte techniek voor karakterisering op nanoschaal