Uusi mikroskooppi seuraa lämmön virtausta nanoskaalassa vihreämpää teknologiaa varten

DTU:n, Technionin ja Antwerpenin yliopiston tutkijat ovat kehittäneet menetelmän, jolla voidaan mitata lämmön leviämistä materiaalin eri suunnissa hyvin pienillä alueilla. Science Advances -lehdessä julkaistua lämpödiffuusiomikroskooppia kokeiltiin termoelektrisillä materiaaleilla. Tutkimus osoittaa uuden mittaustavan, ei valmiiksi rakennettua nopeampaa tietokonetta tai tehokkaampaa aurinkopaneelia.

Miksi lämmön kulkusuunta merkitsee?

Lämpödiffuusio kuvaa, kuinka nopeasti lämpötilan muutos etenee materiaalissa. Joissakin kiteissä lämpö kulkee eri nopeudella eri suuntiin. Kiderakeiden suunta ja rajat voivat vaikuttaa elektronisten komponenttien, termoelektristen laitteiden ja lämpösuojapinnoitteiden toimintaan. Tätä suunnasta riippuvaa ominaisuutta on vaikea mitata pieniltä alueilta vahingoittamatta näytettä.

Miten mikroskooppi mittaa?

Alkuperäisessä tutkimuksessa käytetään mikrokoon nelipistemittapäätä ja yhtä lämmitintä. Lämpösignaalin viiveestä voidaan määrittää diffuusio eri suunnissa. Tutkijoiden mukaan laite tekee nopeita, näytettä rikkomattomia mittauksia ilman erillistä näytteen valmistelua tai toistuvaa kalibrointia tutkimuksen koejärjestelyssä.

Lähde: DTU

Koemateriaalit ja tulokset

DTU kertoo tutkijoiden mitanneen vismuttitelluridia (Bi₂Te₃) ja antimonitelluridia (Sb₂Te₃). Julkaistussa artikkelissa etenkin Bi₂Te₃:n mitattu lämmön leviämisen anisotropia vastasi hyvin kiteen suuntaa. Tutkijat havaitsivat, että kidehilan osuus hallitsi lämmön siirtymistä tarkastelluissa suunnissa. Mittauksia verrattiin muihin vakiintuneisiin menetelmiin.

Mihin menetelmää voisi käyttää?

Tarkempi paikallinen lämpötieto voi auttaa tutkimaan elektroniikan jäähdytystä, energian muuntamiseen tarkoitettuja materiaaleja ja pinnoitteita. Tutkimus ei kuitenkaan testannut valmista tietokoneprosessoria, aurinkokennoa tai teollista tuotantolinjaa. Käytettävyys muissa materiaaleissa ja tuotanto-olosuhteissa edellyttää lisävarmistusta, eikä julkaisu kerro varmaa kaupallistamisaikaa.

Tutkijat ja sijoittaminen

Neetu Lamba on artikkelin ensimmäinen kirjoittaja. Tutkimukseen osallistui tutkijoita DTU:sta, Technionista ja Antwerpenin yliopistosta. Applied Materialsia ei ilmoiteta tämän mittausmenetelmän kehittäjäksi, eikä yliopiston tulos yksin ennusta yhtiön liikevaihtoa tai osaketta.

Applied Materials

Yhteenveto

Mikrokoon nelipistemittapää antoi paikallista tietoa lämmön suunnasta riippuvasta leviämisestä tutkituissa termoelektrisissä materiaaleissa. Menetelmän laajempaa käyttöä on vielä arvioitava muilla näytteillä ja käytännön olosuhteissa.

Tutkimus:

Lamba, N. ym. (2025). Thermal diffusivity microscope: Zooming in on anisotropic heat transport. Science Advances 11, eads6538. doi:10.1126/sciadv.ads6538.