Team tager datavidenskabstilgang til at identificere termisk ledningsevne-relaterede strukturelle faktorer i amorfe materialer

Et forskerhold fra Tohoku University har opdaget, at forskellige termiske ledningsevner udvist af et amorft materiale med samme sammensætning kan tilskrives størrelsen af ​​atomringe i dets atomare struktur. Dette er en af ​​de første undersøgelser, der viser, at de strukturelle træk ved amorfe materialer kan korreleres med deres fysiske egenskaber.

Artiklen er offentliggjort i International Journal of Heat and Mass Transfer .

Det er allerede muligt at syntetisere amorfe materialer med de samme sammensætninger, men forskellige varmeledningsevner. Imidlertid var de strukturelle faktorer, der er ansvarlige for forskelle i varmeledningsevne, endnu ikke identificeret på grund af mangel på passende analysemetoder.

Det havde været umuligt at identificere strukturelle forskelle mellem amorfe germanium (Ge) materialer med forskellige termiske ledningsevner kun baseret på højopløsningstransmissionselektronmikroskop (TEM) observation. Forskerholdet analyserede amorfe Ge-materiale TEM-billeder ved hjælp af datavidenskabelige teknikker – topologisk dataanalyse og hovedkomponentanalyse – og identificerede strukturelle forskelle mellem materialerne.

Holdet fandt ud af, at atomstrukturerne af tyndfilmsprøver aflejret ved lavere temperaturer havde en tendens til at være domineret af mindre atomringe (Ge25), mens prøver aflejret ved højere temperaturer indeholdt større andele af større atomringe (Ge300).

Større atomringe havde teoretisk vist sig at være forbundet med højere termisk ledningsevne. Denne undersøgelse viste, at Ge300 havde højere termisk ledningsevne end Ge25 – resultater i overensstemmelse med den teoretiske dokumentation.

De datavidenskabelige teknikker, der er udviklet i dette forskningsprojekt, kan bruges til at identificere metastabile faser i materialer - en opgave, der er umulig at opnå ved brug af konventionelle strukturelle analyseteknikker. Disse teknikker forventes derfor at være nyttige til udvikling af metastabile faseintegrerede termiske kontrolmaterialer. De kan også være nyttige til at identificere strukturelle træk forbundet med de mekaniske, elektriske og andre egenskaber af amorfe materialer ud over deres termiske egenskaber.

Denne forskning blev udført af et forskerhold bestående af Yibin Xu (leder, datadrevet uorganisk materialegruppe, Center for grundforskning i materialer, NIMS) og Kazuto Akagi (lektor, Advanced Institute for Materials Research, Tohoku University). Dette arbejde blev udført som en del af et JST CREST Exploring Unknown Materials-projekt (forskningsvejleder:Professor Hiroshi Kitagawa).

Flere oplysninger: Yen-Ju Wu et al., Topologisk dataanalyse af TEM-baserede strukturelle træk, der påvirker den termiske ledningsevne af amorf Ge, International Journal of Heat and Mass Transfer (2023). DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.125012

Leveret af National Institute for Materials Science