Sandia National Laboratories forskare Jon Ihlefeld, vänster, och David Scrymgeour använder ett atomkraftsmikroskop för att undersöka förändringar i ett materials fononspridande inre väggar, före och efter påläggning av spänning. Materialet som granskades, PZT, har omfattande kommersiella användningsområden. Kredit:Randy Montoya
Modern forskning har inte funnit något enkelt, billigt sätt att ändra ett materials värmeledningsförmåga vid rumstemperatur.
Den bristen på kontroll har gjort det svårt att skapa nya klasser av enheter som använder fononer - medel för värmeledningsförmåga - snarare än elektroner eller fotoner för att skörda energi eller överföra information. Fononer - atomvibrationer som transporterar värmeenergi i fasta ämnen med hastigheter upp till ljudets hastighet - har visat sig vara svåra att utnyttja.
Nu, använder endast ett 9-volts batteri vid rumstemperatur, ett team under ledning av Sandia National Laboratories forskare Jon Ihlefeld har förändrat värmeledningsförmågan hos det mycket använda materialet PZT (bly zirconate titanate) med så mycket som 11 procent vid andra tidsskalor. De gjorde det utan att tillgripa dyra operationer som att ändra materialets sammansättning eller tvinga fram fasövergångar till andra materiatillstånd.
PZT, antingen som en keramisk eller en tunn film, används i ett brett spektrum av enheter, allt från datorhårddiskar, tryckknappsgnistor för utomhusgrillar, hastighetstranspondrar vid vägtullar och många mikroelektromekaniska konstruktioner.
"Vi kan ändra PZT:s värmeledningsförmåga över ett brett temperaturområde, snarare än bara vid de kryogena temperaturer som uppnåtts av andra forskargrupper, " sa Ihlefeld. "Och vi kan göra det reversibelt:När vi släpper vår spänning, den termiska konduktiviteten återgår till sitt ursprungliga värde."
Arbetet utfördes på material med täta interna gränssnitt – så kallade domänväggar – som inte var tillgängliga under tidigare decennier. Det täta avståndet ger bättre kontroll över fononpassage.
"Vi visade att vi kan förbereda kristallina material med gränssnitt som kan förändras med ett elektriskt fält. Eftersom dessa gränssnitt sprider fononer, sade Ihlefeld, "vi kan aktivt ändra ett materials värmeledningsförmåga genom att helt enkelt ändra deras koncentration. Vi tror att detta banbrytande arbete kommer att främja fononikområdet."
Forskarna, med stöd av Sandias Laboratory Directed Research and Development-kontor, flygvapnets kontor för vetenskaplig forskning, och National Science Foundation, använde ett svepelektronmikroskop och ett atomkraftmikroskop för att observera hur domänväggarna i undersektioner av materialet förändrades i längd och form under påverkan av en elektrisk spänning. Det är denna förändring som kontrollerat förändrade transporten av fononer i materialet.
"Den verkliga prestationen i vårt arbete, sade Ihlefeld, "är att vi har visat ett sätt att kontrollera mängden värme som passerar genom ett material vid rumstemperatur genom att helt enkelt lägga på en spänning över det. Vi har visat att vi aktivt kan reglera hur väl värme - fononer - leder genom materialet. "
Ihlefeld påpekar att aktiv kontroll av elektron- och fotontransport har lett till teknologier som idag tas för givna inom datoranvändning, global kommunikation och andra områden.
"Innan förmågan att kontrollera dessa partiklar och vågor fanns, det var förmodligen svårt att ens drömma om teknologier som involverade elektroniska datorer och lasrar. Och innan vår demonstration av en solid state, snabb, rumstemperatur betyder att ändra värmeledningsförmåga, analoga sätt att kontrollera transporten av fononer har inte funnits. Vi tror att vårt resultat kommer att möjliggöra ny teknik där kontroll av fononer är nödvändig, " han sa.
