Nova técnica de microscopia eletrônica para medições de difusão térmica

Esquema do princípio e imagem adquirida da observação de ondas térmicas em nanoescala:(a) Sistema usado para caracterizar a propagação de calor em nanoescala dentro de amostras de materiais. (b) Mapa mostrando diferentes graus de resistência à propagação de calor (diferenças de fase das ondas térmicas) em uma amostra de nitreto de alumínio policristalino. Crédito:Avanços da Ciência (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj3825

Uma equipe de pesquisa do NIMS desenvolveu uma técnica que permite a observação em nanoescala dos caminhos de propagação de calor e do comportamento em amostras de materiais. Isso foi conseguido usando um microscópio eletrônico de transmissão de varredura (STEM) capaz de emitir um feixe de elétrons pulsado e um termopar nanométrico – um dispositivo de medição de temperatura de alta precisão desenvolvido pelo NIMS. A pesquisa foi publicada em Science Advances .

O interesse público na conservação e reciclagem de energia cresceu consideravelmente nos últimos anos. Esta mudança inspirou os cientistas a desenvolver materiais/dispositivos de próxima geração capazes de controlar e utilizar o calor com um elevado grau de precisão, incluindo dispositivos termoelétricos capazes de converter o calor residual em eletricidade e compósitos de dissipação de calor que podem arrefecer componentes eletrónicos expostos a altas temperaturas.

Tem sido difícil medir a propagação de calor em nanoescala dentro dos materiais porque suas características (ou seja, as amplitudes, velocidades, caminhos e mecanismos de propagação das ondas térmicas em movimento) variam dependendo das características de um material (ou seja, sua composição e tamanho e os tipos e abundância de defeitos dentro dele) ao qual o calor é aplicado. O desenvolvimento de novas técnicas que permitem a observação in situ de como o calor flui através das nanoestruturas dos materiais foi, portanto, antecipado.

Esta equipe de pesquisa desenvolveu uma técnica de observação de propagação de calor em nanoescala usando um STEM, na qual um feixe de elétrons nanométricos pulsados é aplicado a um local específico de uma amostra de material, gerando calor que é então medido na forma de mudanças de temperatura usando um termopar nanométrico desenvolvido pelo NIMS. .

A irradiação da amostra com um feixe de elétrons pulsado permite a medição periódica de diferentes fases das ondas térmicas e a análise das velocidades e amplitudes das ondas térmicas.

Além disso, o reposicionamento preciso em nanoescala dos locais de irradiação permite a geração de imagens de mudanças temporais nas fases e amplitudes das ondas térmicas. Essas imagens podem ser usadas não apenas para realizar medições de condutividade térmica em nanoescala, mas também para criar um vídeo animado que rastreia a propagação de calor.

As complexas relações entre as microestruturas dos materiais e como o calor flui através deles podem ser elucidadas pela observação da propagação de calor em nanoescala usando a técnica in situ desenvolvida neste projeto.

A técnica pode permitir a investigação de mecanismos complexos de condução térmica em compósitos de dissipação de calor, avaliação da condução térmica interfacial em juntas microssoldadas e observação in-situ do comportamento térmico em materiais termoelétricos.

Isso pode contribuir para o desenvolvimento de materiais/dispositivos termoelétricos de alto desempenho e alta eficiência de próxima geração.

Mais informações: Hieu Duy Nguyen et al, observações de ondas térmicas in situ STEM para investigar a difusividade térmica em materiais e dispositivos em nanoescala, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj3825
Fornecido pelo Instituto Nacional de Ciência de Materiais

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