Nogle polykrystal korngrænser mærker varmen mere end andre

Polykrystaller er solide materialer, der består af masser af små krystaller. De punkter, hvor krystallerne mødes, er kendt som korngrænser (GB'er). GB'er er vigtige, fordi de kan påvirke den måde, hvorpå det faste stof opfører sig. Konventionelle analyseteknikker er dog ikke i stand til at måle detaljerne i nanoskala ved GB'er. Nu har forskere fra University of Tokyo Institute of Industrial Science brugt elektronenergitabsspektroskopi (EELS) til at undersøge effekten af ​​opvarmning på GB'erne af strontiumtitanat (SrTiO₃ ). Deres resultater er offentliggjort i Nano Letters .

GB'er påvirker den måde, ioner bevæger sig gennem et materiale, den måde, det leder og reagerer på varme, og den måde, det reagerer på, når der påføres kræfter. De spiller derfor en vigtig rolle i beslutningen om, hvorvidt et materiale er egnet til et bestemt formål.

Termisk udvidelseskoefficient (CTE) angiver, hvordan størrelsen af ​​et materiale ændres, når det opvarmes. Hvis dette er anderledes omkring GB'erne sammenlignet med hovedparten af ​​et materiale, kan der dannes revner. Dette kan føre til fejl i stor skala, som kan have alvorlige konsekvenser for den struktur eller proces, materialet er blevet brugt i.

De teknikker, der konventionelt bruges til at undersøge lokal termisk ekspansion, har ikke den opløsning i nanoskala, der kræves til direkte at måle ekspansion omkring GB'erne. Forskerne brugte derfor EELS med scanningselektronmikroskopi for at forbedre opløsningen.

"Vi så på den termiske udvidelse omkring to forskellige GB'er i SrTiO₃ — et hvor kornene mødtes i en vinkel på 36,8° (som har det særlige navn S5) og et andet hvor de mødtes ved 45°," forklarer undersøgelsens første forfatter Kunyen Liao. "Vi undersøgte specifikt, hvordan CTE ændrede sig vinkelret på disse GB'er når temperaturen blev øget over intervallet 100-700°C."

Det blev fundet, at CTE vinkelret på S5 GB var 3 gange større end udvidelsen i bulk, mens den vinkelret på 45° GB kun var 1,4 gange større. Resultaterne giver direkte målte beviser for, at GB'er forbedrer CTE, hvilket har vigtige konsekvenser for valg af applikationsspecifikke materialer.

"Ud over at afsløre variationen i termodynamiske egenskaber ved forskellige GB'er i SrTiO₃ , viser vores resultater potentialet af EELS til at give detaljer i nanoskala af lokale egenskaber," siger den tilsvarende forfatter Teruyasu Mizoguchi. "Vi håber, at vores undersøgelse vil give et middel til at fastslå de lokale termiske egenskaber for en række forskellige materialer og hjælpe med udvælgelsen proces for mange produkter fra bildele til elektronik." + Udforsk yderligere

Visualisering af temperaturtransport:En uventet teknik til karakterisering af nanoskala