Minimering af termisk ledningsevne af krystallinsk materiale med optimal nanostruktur

Professor Junichiro Shiomi et al. fra University of Tokyo havde til formål at reducere den termiske ledningsevne af halvledermaterialer ved at reducere den interne nanostruktur. Forskerne har med succes minimeret termisk ledningsevne ved at designe, fremstilling og evaluering af de optimale nanostruktur-flerlagsmaterialer gennem materialeinformatik (MI), som kombinerer maskinlæring og molekylær simulering. I 2017 denne forskergruppe udviklede en metode til at designe en optimal struktur, der minimerer eller maksimerer termisk ledningsevne via MI baseret på beregningsvidenskab. Imidlertid, det var ikke blevet påvist eksperimentelt, og udarbejdelse af strukturer i nanoskala og realisering af en optimal struktur baseret på egenskabsmålinger var ønsket.

Dermed, forskergruppen brugte en filmaflejringsmetode, der kunne regulere, på molekylært niveau, en supergitterstruktur, hvor to materialer skiftevis var lagdelt med flere nanometers tykkelse, og en målemetode, der kunne vurdere termisk ledningsevne af en film på nanoskala, og realiserede den optimale aperiodiske supergitterstruktur, der minimerer termisk ledningsevne. Med den optimale struktur, bølgeinterferens af gittervibrationen (fonon), der leder varme, blev maksimeret, og termisk ledningsevne var stærkt reguleret.

I nærværende undersøgelse, ved at bruge halvledergitterstrukturen som model, forskergruppen verificerede anvendeligheden af ​​MI-metoden i design, fremstilling, vurdering, og mekanisme til regulering af termisk ledningsevne. I fremtiden, anvendelse af MI-metoden på forskellige materialesystemer forventes. Det blev også vist, at optimering af den aperiodiske struktur kan regulere termisk ledningsevne ved fuldt ud at kontrollere bølgeegenskaberne for en fonon ved nær stuetemperatur. Dette forventes at bidrage til udviklingen inden for fononteknik, for eksempel i termoelektriske konverteringsenheder, optiske sensorer, og gassensorer, hvor der er behov for lav varmeledningsevne og samtidig bibeholde elektrisk ledningsevne og mekaniske egenskaber.