Forskare från University of Tokyo Institute of Industrial Science använder elektronenergiförlustspektroskopi för att förstå lokalt termiskt beteende vid korngränser i polykristaller. Kredit:Institute of Industrial Science, University of Tokyo
Polykristaller är fasta material som är uppbyggda av massor av små kristaller. Punkterna där kristallerna möts är kända som korngränser (GBs). GB:er är viktiga eftersom de kan påverka hur soliden beter sig. Konventionella analystekniker kan dock inte mäta detaljerna i nanoskala vid GB. Nu har forskare från University of Tokyo Institute of Industrial Science använt elektronenergiförlustspektroskopi (EELS) för att undersöka effekten av uppvärmning på GBs av strontiumtitanat (SrTiO3 ). Deras resultat publiceras i Nano Letters .
GB påverkar hur joner rör sig genom ett material, hur det leder och reagerar på värme och hur det reagerar när krafter appliceras. De spelar därför en viktig roll för att avgöra om ett material är lämpligt för ett visst ändamål.
Termisk expansionskoefficient (CTE) indikerar hur storleken på ett material ändras när det värms upp. Om detta är annorlunda runt GBs jämfört med i huvuddelen av ett material, kan sprickor bildas. Detta kan leda till storskaliga fel, vilket kan få allvarliga konsekvenser för strukturen eller processen som materialet har använts i.
De tekniker som konventionellt används för att undersöka lokal termisk expansion har inte den nanoskalaupplösning som krävs för att direkt mäta expansionen runt GB. Forskarna använde därför EELS med svepelektronmikroskopi för att förbättra upplösningen.
"Vi tittade på den termiska expansionen runt två olika GB i SrTiO3 —en där kornen möttes i en vinkel på 36,8° (som har det speciella namnet S5) och en annan där de möttes vid 45°", förklarar studiens första författare Kunyen Liao. "Vi undersökte närmare bestämt hur CTE förändrades vinkelrätt mot dessa GB. när temperaturen höjdes över intervallet 100–700°C."
Det visade sig att CTE vinkelrätt mot S5 GB var 3 gånger större än expansionen i bulken, medan den vinkelrät mot 45° GB bara var 1,4 gånger större. Resultaten ger direkt uppmätta bevis för att GB förbättrar CTE, vilket har viktiga konsekvenser för val av applikationsspecifika material.
"Förutom att avslöja variationen i termodynamiska egenskaper vid olika GB i SrTiO3 , visar våra resultat potentialen hos EELS för att tillhandahålla detaljer i nanoskala av lokala egenskaper," säger studiens motsvarande författare Teruyasu Mizoguchi. "Vi hoppas att vår studie kommer att tillhandahålla ett sätt att fastställa de lokala termiska egenskaperna hos en rad olika material och underlätta valet. process för många produkter från bildelar till elektronik." + Utforska vidare
