En forskargrupp från Tohoku University har upptäckt att olika värmeledningsförmåga som uppvisas av ett amorft material med samma sammansättning kan tillskrivas storleken på atomringarna i dess atomstruktur. Detta är en av de första studierna som visar att de strukturella egenskaperna hos amorfa material kan korreleras med deras fysikaliska egenskaper.
Uppsatsen publiceras i International Journal of Heat and Mass Transfer .
Det är redan möjligt att syntetisera amorfa material med samma sammansättning men olika värmeledningsförmåga. De strukturella faktorerna som är ansvariga för skillnader i värmeledningsförmåga hade dock ännu inte identifierats på grund av bristen på lämpliga analysmetoder.
Det hade varit omöjligt att identifiera strukturella skillnader mellan amorft germanium (Ge) material med olika värmeledningsförmåga endast baserat på högupplöst transmissionselektronmikroskop (TEM) observation. Forskargruppen analyserade amorfa Ge-material TEM-bilder med hjälp av datavetenskapliga tekniker – topologisk dataanalys och huvudkomponentanalys – och identifierade strukturella skillnader mellan materialen.
Teamet fann att atomstrukturerna hos tunnfilmsexemplar avsatta vid lägre temperaturer tenderade att domineras av mindre atomringar (Ge25) medan prover avsatta vid högre temperaturer innehöll högre andelar större atomringar (Ge300).
Större atomringar hade teoretiskt visat sig vara associerade med högre värmeledningsförmåga. Denna studie fann att Ge300 hade högre värmeledningsförmåga än Ge25 – resultat som överensstämmer med de teoretiska bevisen.
De datavetenskapliga tekniker som utvecklats i detta forskningsprojekt kan användas för att identifiera metastabila faser i material - en uppgift som är omöjlig att uppnå med konventionella strukturanalystekniker. Dessa tekniker förväntas därför vara användbara för att utveckla metastabila fasintegrerade termiska styrmaterial. De kan också vara användbara för att identifiera strukturella egenskaper associerade med de mekaniska, elektriska och andra egenskaperna hos amorfa material utöver deras termiska egenskaper.
Denna forskning utfördes av ett forskarlag bestående av Yibin Xu (ledare, Datadriven Inorganic Materials Group, Center for Basic Research on Materials, NIMS) och Kazuto Akagi (docent, Advanced Institute for Materials Research, Tohoku University). Detta arbete utfördes som en del av ett JST CREST Exploring Unknown Materials-projekt (forskningshandledare:Professor Hiroshi Kitagawa).
Mer information: Yen-Ju Wu et al, Topologisk dataanalys av TEM-baserade strukturella egenskaper som påverkar den termiska konduktiviteten hos amorfa Ge, International Journal of Heat and Mass Transfer (2023). DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.125012
Tillhandahålls av National Institute for Materials Science
