Ny elektronmikroskopiteknik til termiske diffusionsmålinger

Et NIMS-forskerhold har udviklet en teknik, der muliggør observation i nanoskala af varmeudbredelsesveje og adfærd i materialeprøver. Dette blev opnået ved hjælp af et scanningstransmissionselektronmikroskop (STEM), der er i stand til at udsende en pulseret elektronstråle og et termoelement i nanostørrelse - en højpræcis temperaturmålingsenhed udviklet af NIMS. Forskningen er publiceret i Science Advances .

Offentlighedens interesse for energibesparelse og genanvendelse er vokset betydeligt i de senere år. Denne ændring har inspireret forskere til at udvikle næste generations materialer/enheder, der er i stand til at kontrollere og udnytte varme med en høj grad af præcision, herunder termoelektriske enheder, der er i stand til at omdanne spildvarme til elektricitet og varmeafledningskompositter, der kan køle elektroniske komponenter udsat for høje temperaturer.

Det har været vanskeligt at måle varmeudbredelse på nanoskala i materialer, fordi dets egenskaber (dvs. amplituder, hastigheder, stier og udbredelsesmekanismer for vandrende termiske bølger) varierer afhængigt af et materiales egenskaber (dvs. dets sammensætning og størrelse og typerne og overflod af defekter i den), hvortil varme påføres. Udviklingen af ​​nye teknikker, der muliggør in-situ observation af, hvordan varme strømmer gennem materialers nanostrukturer, var derfor blevet forudset.

Dette forskerhold udviklede en varmeudbredelsesobservationsteknik på nanoskala ved hjælp af en STEM, hvor en pulseret elektronstråle i nanostørrelse påføres et specifikt sted på en materialeprøve, der genererer varme, som derefter måles i form af skiftende temperaturer ved hjælp af et termoelement i nanostørrelse udviklet af NIMS .

Bestråling af prøven med en pulseret elektronstråle muliggør periodisk måling af forskellige termiske bølgefaser og analyse af termiske bølgehastigheder og amplituder.

Desuden muliggør præcis nanoskala-repositionering af bestrålingssteder billeddannelse af tidsmæssige ændringer i termiske bølgefaser og amplituder. Disse billeder kan ikke kun bruges til at udføre termisk ledningsevnemålinger i nanoskala, men også til at skabe en animeret video, der sporer varmeudbredelse.

De komplekse sammenhænge mellem materialers mikrostrukturer og hvordan varme strømmer gennem dem kan belyses ved at observere varmeudbredelse i nanoskala ved hjælp af in-situ teknik udviklet i dette projekt.

Teknikken kan muliggøre undersøgelse af komplekse termiske ledningsmekanismer inden for varmeafledningskompositter, evaluering af grænsefladevarmeledning i mikrosvejsede samlinger og in-situ observation af termisk adfærd i termoelektriske materialer.

Dette kan bidrage til udviklingen af ​​højtydende, højeffektive næste generations termiske transportmaterialer og termoelektriske materialer/enheder.

Flere oplysninger: Hieu Duy Nguyen et al., STEM in situ termiske bølgeobservationer til undersøgelse af termisk diffusivitet i materialer og enheder på nanoskala, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj3825

Leveret af National Institute for Materials Science