Een NIMS-onderzoeksteam heeft een techniek ontwikkeld die observatie op nanoschaal van warmtevoortplantingspaden en -gedrag in materiaalspecimens mogelijk maakt. Dit werd bereikt met behulp van een scanning-transmissie-elektronenmicroscoop (STEM) die in staat is een gepulseerde elektronenbundel uit te zenden en een thermokoppel van nanoformaat – een uiterst nauwkeurig temperatuurmeetapparaat ontwikkeld door NIMS. Het onderzoek is gepubliceerd in Science Advances .

De publieke belangstelling voor energiebesparing en recycling is de afgelopen jaren aanzienlijk gegroeid. Deze verandering heeft wetenschappers geïnspireerd om materialen/apparaten van de volgende generatie te ontwikkelen die in staat zijn om warmte met een hoge mate van precisie te controleren en te gebruiken, waaronder thermo-elektrische apparaten die afvalwarmte kunnen omzetten in elektriciteit en warmtedissipatiecomposieten die elektronische componenten kunnen koelen die worden blootgesteld aan hoge temperaturen.

Het is moeilijk geweest om de warmtevoortplanting op nanoschaal binnen materialen te meten, omdat de kenmerken ervan (dat wil zeggen de amplitudes, snelheden, paden en voortplantingsmechanismen van voortbewegende thermische golven) variëren afhankelijk van de kenmerken van een materiaal (dat wil zeggen de samenstelling en grootte ervan en de soorten en overvloed aan defecten erin) waarop warmte wordt toegepast. Er werd daarom geanticipeerd op de ontwikkeling van nieuwe technieken die in-situ observatie mogelijk maken van hoe warmte door de nanostructuren van materialen stroomt.

Dit onderzoeksteam ontwikkelde een observatietechniek voor warmtevoortplanting op nanoschaal met behulp van een STEM waarbij een gepulseerde elektronenstraal van nanogrootte wordt toegepast op een specifieke plaats van een materiaalmonster, waardoor warmte wordt gegenereerd die vervolgens wordt gemeten in de vorm van veranderende temperaturen met behulp van een thermokoppel van nanogrootte ontwikkeld door NIMS .

Door het preparaat te bestralen met een gepulseerde elektronenstraal is de periodieke meting van verschillende thermische golffasen en de analyse van thermische golfsnelheden en amplitudes mogelijk.

Bovendien maakt nauwkeurige herpositionering van bestralingslocaties op nanoschaal de beeldvorming mogelijk van temporele veranderingen in thermische golffasen en amplitudes. Deze beelden kunnen niet alleen worden gebruikt om thermische geleidbaarheidsmetingen op nanoschaal uit te voeren, maar ook om een ​​geanimeerde video te maken die de warmtevoortplanting volgt.

De complexe relaties tussen de microstructuren van materialen en hoe warmte er doorheen stroomt, kunnen worden opgehelderd door de warmtevoortplanting op nanoschaal te observeren met behulp van de in-situ techniek die in dit project is ontwikkeld.

De techniek kan het onderzoek mogelijk maken van complexe thermische geleidingsmechanismen binnen composieten voor warmtedissipatie, evaluatie van thermische geleiding aan het grensvlak binnen microgelaste verbindingen en in-situ observatie van thermisch gedrag binnen thermo-elektrische materialen.

Dit kan bijdragen aan de ontwikkeling van hoogwaardige, hoogefficiënte thermische transportmaterialen van de volgende generatie en thermo-elektrische materialen/apparaten.

Meer informatie: Hieu Duy Nguyen et al, STEM in situ thermische golfobservaties voor het onderzoeken van thermische diffusie in materialen en apparaten op nanoschaal, Wetenschappelijke vooruitgang (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj3825

Aangeboden door het Nationaal Instituut voor Materiaalwetenschappen