Lille elektrisk spænding ændrer ledningsevne i nøglematerialer

Moderne forskning har ikke fundet noget enkelt, billig måde at ændre et materiales varmeledningsevne ved stuetemperatur.

Denne mangel på kontrol har gjort det svært at oprette nye klasser af enheder, der bruger fononer - termisk ledningsevne - frem for elektroner eller fotoner til at høste energi eller overføre information. Fononer - atomvibrationer, der transporterer varmeenergi i faste stoffer med hastigheder op til lydens hastighed - har vist sig at være svære at udnytte.

Nu, kun ved brug af et 9 volt batteri ved stuetemperatur, et team ledet af Sandia National Laboratories -forsker Jon Ihlefeld har ændret varmeledningsevnen for det meget anvendte materiale PZT (blyzirkonat -titanat) med hele 11 procent i tidsskalaer under sekund. De gjorde det uden at ty til dyre operationer som at ændre materialets sammensætning eller tvinge faseovergange til andre materielle tilstande.

PZT, enten som en keramik eller en tynd film, bruges i en lang række enheder lige fra computerharddiske, trykknap gnister til grill, speed-pass transpondere ved vejbaner og mange mikroelektromekaniske designs.

"Vi kan ændre PZTs varmeledningsevne over et bredt temperaturområde, snarere end kun ved de kryogene temperaturer opnået af andre forskningsgrupper, "sagde Ihlefeld." Og vi kan gøre det reversibelt:Når vi frigiver vores spænding, varmeledningsevnen vender tilbage til sin oprindelige værdi. "

Arbejdet blev udført på materialer med tætte indvendige grænseflader-såkaldte domænevægge-utilgængelige i tidligere årtier. Den tætte afstand giver bedre kontrol over fononpassagen.

"Vi viste, at vi kan forberede krystallinske materialer med grænseflader, der kan ændres med et elektrisk felt. Fordi disse grænseflader spreder fononer, sagde Ihlefeld, "vi kan aktivt ændre et materiales varmeledningsevne ved ganske enkelt at ændre deres koncentration. Vi føler, at dette banebrydende arbejde vil fremme området for fonologi."

Forskerne, støttet af Sandias Laboratory Directed Research and Development -kontor, luftvåbnets kontor for videnskabelig forskning, og National Science Foundation, brugte et scanningselektronmikroskop og et atomkraftmikroskop til at observere, hvordan domæne vægge i undersektioner af materialet ændrede sig i længde og form under påvirkning af en elektrisk spænding. Det er denne ændring, der kontrollerbart ændrede transporten af ​​fononer inden i materialet.

"Den virkelige præstation i vores arbejde, sagde Ihlefeld, "er, at vi har demonstreret et middel til at kontrollere mængden af ​​varme, der passerer et materiale ved stuetemperatur ved blot at påføre en spænding over det. Vi har vist, at vi aktivt kan regulere, hvor godt varme - fononer - leder gennem materialet. "

Ihlefeld påpeger, at aktiv kontrol af elektron- og fotontransport har ført til teknologier, der i dag tages for givet i databehandling, global kommunikation og andre områder.

"Før muligheden for at kontrollere disse partikler og bølger eksisterede, det var sandsynligvis svært selv at drømme om teknologier, der involverer elektroniske computere og lasere. Og før vores demonstration af en solid-state, hurtig, stuetemperatur betyder at ændre varmeledningsevne, analoge midler til at kontrollere transport af fononer har ikke eksisteret. Vi mener, at vores resultat vil muliggøre nye teknologier, hvor det er nødvendigt at kontrollere fononer, " han sagde.