Forskere løser fire-phonon termisk konduktivitetshindringsnøgle til tekniske applikationer

Nye fund har løst en mangeårig forhindring inden for forskning for at forstå virkningerne af varmeledning i faste materialer, et kritisk problem i mange applikationer, fra energiomdannelse til elektronisk køling.

Opdagelsen kan hjælpe bestræbelserne på at forbedre et væld af teknologier, herunder termoelektriske enheder, som omdanner varme til elektricitet; termisk barrierebelægninger, såsom dem, der bruges til at beskytte turbinemotorblade mod ekstrem opvarmning; kølelegemer til elektronisk køling; atombrændstoffer; og forskning i varmeoverførsel i fast tilstand generelt.

Forskningen vedrører den afgørende rolle "fononer, "kvantemekaniske fænomener, der beskriver, hvordan vibrationer bevæger sig gennem et materiales krystalstruktur. Fononerne interagerer, undertiden kombinere og opdele i nye fononer, ændrer retning og adfærd.

Denne "spredning" er grundlæggende for, hvordan et materiale leder varme. Indtil nu, forskere har været i stand til realistisk kun at modellere interaktionerne mellem tre fononer. I nye fund, imidlertid, forskere fra Purdue University og Oak Ridge National Laboratory har vist, hvordan man præcist modellerer interaktionerne mellem fire fononer og deres effekt på varmestrømmen.

"At kunne forudsige spredning med fire fononer har været en årtiers lang udfordring, "sagde Xiulin Ruan, en Purdue professor i maskinteknik.

Fire-fonon-interaktioner er længe blevet ignoreret, dels fordi de blev anset for at være ubetydelige, og forskere ikke vidste, hvordan de skulle modelleres.

"Nu har vi klart vist vigtigheden af ​​fire-fonon-spredning, " han sagde.

Fundene blev detaljeret i et papir, der blev vist online i oktober i tidsskriftet Fysisk gennemgang B . Det blev fremhævet som et "Rapid Communications" -papir, da fundene er særligt rettidige og relevante. Avisen var medforfatter af den tidligere Purdue-doktorand Tianli Feng, som nu er postdoktor ved Vanderbilt University og Oak Ridge National Laboratory; Oak Ridge -forsker Lucas Lindsay; og Ruan.

Indtil nu, simulering af fire-phonon-spredning har krævet 10, 000 gange beregningsressourcerne som tre-phonon-spredning, gør det umuligt at udføre teoretiske forudsigelser af høj kvalitet. Imidlertid, Purdue-teamet har udviklet en ny metode til at udføre de teoretiske beregninger og optimeret simuleringen af ​​fire-fonon-spredning, reducere de nødvendige beregningsressourcer.

"Det er et nyt fysisk billede, "Sagde Feng." Mekanismen for spredning af fire-fononer var allerede kendt, men ingen vidste, hvordan de skulle lave de teoretiske forudsigelser eller vurdere dens betydning, som vi har opnået. "

At kunne inkorporere fire-fonon-data i beregninger vil hjælpe forskere med at udvikle nye materialer. Materialer, der har ultrahøj varmeledningsevne, er ideelle til kølelegemer, mens dem med lav varmeledningsevne er velegnede til termoelektriske applikationer og termiske barrierebelægninger.

De nye fund viser, at kun brug af tre-phonon-spredning i beregninger giver resultater, der overvurderer ydeevnen for nogle materialer, mens de undervurderer ydeevnen for andre.

"De strenge rammer, der er udviklet af forskerholdet for at inkludere spredning af fire-fononer, er nye og af betydelig videnskabelig betydning, "sagde Alan McGaughey, professor i maskinteknik ved Carnegie Mellon University. "Deres fund kaster vigtigt lys over tidligere teoretiske forudsigelser og eksperimentelle målinger, og vil hjælpe med at guide udviklingen af ​​nye materialer til en bred vifte af applikationer. Af særlig opmærksomhed er potentialet til at sætte grænser for, hvor høj eller lav varmeledningsevne kan være på tværs af en række temperaturer. "

Forskere udvikler alternativer til diamant til applikationer såsom køleplader til elektronisk køling. Et sådant potentielt alternativ, kaldet zink-blende bor-arsenider, er blevet vist i teoretiske beregninger for at konkurrere med diamant i varmeledningsevne.

Imidlertid, nye fund, der anvender fire-phonon-spredning, viser, at tidligere forudsigelser overvurderede materialets potentiale med over 50 procent ved stuetemperatur og endnu mere ved højere temperaturer. I mellemtiden, tidligere teoretiske forudsigelser viste sig at undervurdere potentialet for siliciumbaserede materialer til termoelektriske anvendelser ved høje temperaturer.

"Det, vi demonstrerer her, er, at den teoretiske øvre grænse ikke er så høj som tidligere antaget for zinkblende borarsenid, "Sagde Lindsay." Men dens forudsagte ledningsevne er stadig meget højere end de fleste materialer, og det er stadig et lovende system. "

Forskningen, som har været helt teoretisk, kan forklare den tidligere uoverensstemmelse mellem forudsagt og eksperimentel varmeledningsevne af silicium ved høj temperatur. Det udvides til at omfatte flere laboratorieforsøg.