Ett NIMS-forskarlag har utvecklat en teknik som möjliggör observation i nanoskala av värmeutbredningsvägar och beteende inom materialprover. Detta uppnåddes med hjälp av ett skanningstransmissionselektronmikroskop (STEM) som kan sända ut en pulsad elektronstråle och ett termoelement i nanostorlek - en temperaturmätningsenhet med hög precision utvecklad av NIMS. Forskningen publiceras i Science Advances .
Allmänhetens intresse för energibesparing och återvinning har vuxit avsevärt de senaste åren. Denna förändring har inspirerat forskare att utveckla nästa generations material/enheter som kan kontrollera och utnyttja värme med en hög grad av precision, inklusive termoelektriska enheter som kan omvandla spillvärme till elektricitet och värmeavledningskompositer som kan kyla elektroniska komponenter som utsätts för höga temperaturer.
Det har varit svårt att mäta värmeutbredning i nanoskala inom material eftersom dess egenskaper (d.v.s. amplituder, hastigheter, banor och utbredningsmekanismer för vandrade värmevågor) varierar beroende på egenskaperna hos ett material (d.v.s. dess sammansättning och storlek och typerna och överflöd av defekter i den) som värme appliceras på. Utvecklingen av nya tekniker som möjliggör observation på plats av hur värme strömmar genom materialens nanostrukturer hade därför förutsetts.
Det här forskarlaget utvecklade en observationsteknik för värmeutbredning i nanoskala med användning av en STEM där en pulsad elektronstråle i nanostorlek appliceras på en specifik plats av ett materialprov och genererar värme som sedan mäts i form av ändrade temperaturer med hjälp av ett termoelement i nanostorlek utvecklat av NIMS .
Bestrålning av provet med en pulsad elektronstråle möjliggör periodisk mätning av olika värmevågsfaser och analys av värmevågshastigheter och -amplituder.
Dessutom möjliggör exakt nanoskala ompositionering av bestrålningsplatser avbildning av tidsmässiga förändringar i termiska vågfaser och amplituder. Dessa bilder kan användas inte bara för att utföra mätningar av värmeledningsförmåga i nanoskala utan också för att skapa en animerad video som spårar värmeutbredning.
De komplexa sambanden mellan materialens mikrostrukturer och hur värme strömmar genom dem kan belysas genom att observera värmeutbredning i nanoskala med hjälp av in-situ-tekniken som utvecklats i detta projekt.
Tekniken kan möjliggöra undersökning av komplexa värmeledningsmekanismer inom värmeavledningskompositer, utvärdering av gränssnittsvärmeledning i mikrosvetsade fogar och observation på plats av värmebeteende inom termoelektriska material.
Detta kan bidra till utvecklingen av högpresterande, högeffektiva, nästa generations termiska transportmaterial och termoelektriska material/enheter.
Mer information: Hieu Duy Nguyen et al, STEM in situ termiska vågobservationer för att undersöka termisk diffusivitet i nanoskala material och enheter, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj3825
Tillhandahålls av National Institute for Materials Science
