Nytt mikroskop sporer varmestrøm på nanoskalering for grønnere teknologi

En gruppe forskere fra DTU, Technion og Universitetet i Antwerpen avduket en ny type mikroskop designet for å fange termisk diffusivitet. Enheten kan gjøre det mulig for ingeniører å få en dypere forståelse av hvordan elektroner overfører varme gjennom spesifikke materialer, og åpner døren for høyytelseskomponenter på tvers av ulike industrier. Her er det du trenger å vite.

Forståelse av termisk diffusivitet i materialer

Et objekts termiske diffusionskapasitet avhenger i stor grad av dets sammensetning og struktur. Å kunne bestemme disse egenskapene er en kjernekomponent i å utvikle pålitelige og sikre enheter. Det kan kreve overvåking av nøkkelaspekter som elektronspredningsrelasjoner, atommasse, bindingstyrke, ladningskonsentrasjon og mobilitet, som alle spiller en viktig rolle i ligningen. I tillegg, når man snakker om nanoskalale overflater, må krystallkornstørrelse, form og korngrenser (GB) undersøkes.

Hvordan varmestrømmen varierer med materialstruktur

Når du gjennomgår alle faktorene som trengs for nøyaktig å forutsi varmediffusjon, er det to hovedaspekter å vurdere. Opplever objektet jevn varmestrøm, det vil si at det får temperaturøkning over hele overflaten, eller er objektet ujevn? Det siste betyr at termisk diffusivitet kan variere avhengig av retningen på strømmen langs krystallografiske orienteringer. Denne typen materiale gir unike muligheter for ingeniører som kan utnytte den retningsbestemte varmestrømmen for å forbedre produktytelsen.

Utfordringer ved måling av anisotrop varmestrøm

Det finnes noen problemer ved overvåking av varmediffusjon. Så langt har det ikke vært noen pålitelig metode for nøyaktig å bestemme anisotrop termisk diffusivitetstensor i polykrystallinske systemstrukturer. Dette problemet gjenspeiler forskernes begrensede forståelse av dette nanoskalafenomenet. I tillegg er de nåværende metodene upålitelige og kan være destruktive for prøvene. Denne situasjonen fører til redusert nøyaktighet, samt langsom oppsett. Heldigvis er denne situasjonen i ferd med å endres.

Innsiden av studien bak termisk diffusivitetsmikroskopet

Et internasjonalt team av ingeniører har gått sammen for å takle dette problemet. Studien¹ “Thermal diffusivity microscope: Zooming in on anisotropic heat transport,” publisert i Science Advances, introduserer en ny metode for pålitelig å registrere høyoppløselige lokale målinger av anisotrop termisk diffusivitet. Deres oppfinnelse, termisk diffusivitetsmikroskopet, har potensial til å åpne døren for et nytt nivå av ingeniør- og materialvitenskap.

Kilde – DTU

Hva er termisk diffusivitetsmikroskopet?

Termisk diffusivitetsmikroskop-konseptet låner ideer fra CAPRES microRSP automatiserte system og kombinerer dem med oppgraderinger som forbedrer målekapasiteten for varmestrøm. Den nye enheten har en proprietær firepunktsprobe som gir raskere og mer nøyaktige målinger.

Rask oppsett og kalibreringsfri design

Teamet bemerket at enheten kan settes opp og ikke krever kalibrering mellom hver avlesning. I tillegg krever prøven minimal forberedelse, noe som reduserer arbeidsmengden og risikoen for forurensning. Merkverdig leverer systemet nøyaktige anisotrop termisk diffusivitetsmålinger ved å bruke data samlet inn fra en termisk relé plassert på en enkelt varmer.

Inkorporering av kaldfinger‑effekter i varmestudier

Et annet problem som ingeniører adresserte var “cold finger”-effektene. En kaldfinger refererer til et laboratorieverktøy som ligner en metallisk sylinder. Den er designet for å senke temperaturen på objekter og bistå i prosesser som destillasjon. Den er vanlig i bruk, men dens effekter har aldri blitt integrert i en termisk diffusionsstudie før nå.

Testing av mikroskopet med ekte materialer

Teamet gjennomførte flere eksperimenter for å teste teoriene sine. De valgte to materialer kjent for sine termiske egenskaper – Bi2Te3 (bismuttellurid) og Sb2Te3 (antimonettellurid). Begge gir høy ledningsevne og termiske egenskaper som gjør dem ideelle for nanoskalabruk. I tillegg har disse materialene en rombohedral lagdelt krystallstruktur stablet av svake van der Waals‑krefter langs c‑aksen, noe som forsterker deres anisotrop transportegenskaper.
For å begynne ble prøvene varmet opp før ingeniørene tilfeldig kartla et område på 300 μm × 400 μm med trinnstørrelse på 5 μm. Dette optiske mikrografet viste viktige detaljer som korn og orienteringen av probene. Dette hjalp ingeniørene med å se endringer i termisk diffusivitet basert på kornorienteringen.

Viktige funn fra testene med termisk diffusivitetsmikroskop

Testene med termisk diffusivitetsmikroskop viste at ingeniørene hadde rett i modellene sine. Enheten leverte med suksess høyoppløselige målinger på nanoskalering. Målingene gjorde det mulig for ingeniørene å observere varmestrøm i sanntid, slik at de kunne fastslå nøkkelfaktorer om de testede materialene, inkludert hvordan gitterbidraget var kritisk for varmetransport i begge retninger.

Fordeler med termisk diffusivitetsmikroskop for ingeniører

Det er en lang liste med fordeler som termisk diffusivitetsmikroskop bringer til markedet. For det første vil det hjelpe ingeniører å lage kraftigere og sikrere elektroniske enheter og energisystemer. De kan teste nye materialer på nanoskalering og se nøyaktig når og hvor feilpunktet oppstår.

Brukervennlig og ikke‑destruktivt oppsett

Termisk diffusivitetsmikroskop‑systemet krever langt mindre arbeid enn tidligere metoder. Det er ingen behov for å forberede prøver, noe som var en tidkrevende og presis prosess som ofte førte til at prøvene ble skadet. Teamet bemerket at de kunne oppnå detaljerte og kartlagte målinger på under ett minutt.

Virkelige anvendelser og utrullingsplan

Listen over anvendelser for denne teknologien er nesten uendelig. Termisk diffusivitet er kjernen i de fleste høyteknologiske utviklinger. Alt fra din personlige datamaskin til romfartøy krever varmemanagementsystemer. Denne enheten vil gjøre det mulig for ingeniører å lage mer kapable og kraftige termiske belegg, elektronikk og termoelektriske enheter. Her er noen av de viktigste anvendelsene for denne teknologien.

Raskere datamaskiner

Termisk diffusivitetsmikroskop vil bidra til å lage bedre datamaskiner. Enheten din opplever redusert ytelse når den utsettes for vedvarende høye temperaturer. Å holde PC‑er kjøligere vil gjøre det mulig for ingeniører å lage kraftigere og mindre enheter.

Solcellepaneler

En annen sektor hvor denne teknologien kan skinne er solenergiindustrien. Alle enheter som skal fange solstråler bør ha utmerket termisk diffusivitet. Ingeniører vil kunne presse grensene for denne teknologien til nye høyder ved å lage mer varmeeffektive og kjøligere alternativer, noe som reduserer utilsiktet energitap gjennom dårlig varmemanagement.

Termisk diffusivitetsmikroskop tidslinje

Termisk diffusivitetsmikroskop er operativt. Det kan imidlertid ta noen år før denne enheten kan nå kommersielle kunder. Foreløpig vil enheten gjennomgå mye mer eksperimentering og testing. I løpet av de neste 3–5 årene kan enheten kommersialiseres og bli et kraftig verktøy for produsenter, sikkerhetspersonell og ingeniører.

Forskerne bak termisk diffusivitetsmikroskop

Studien av termisk diffusivitetsmikroskop var et samarbeid mellom ingeniører fra DTU, Technion og Universitetet i Antwerpen. Artikkelen oppgir Neetu Lamba, Braulio Beltrán‑Pitarch, Tianbo Yu, Dirch Hjorth Petersen, Muhamed Dawod, Alex Berner, Benny Guralnik, Andrey Orekhov, Nicolas Gauquelin, Yaron Amouyal, Johan Verbeeck, Ole Hansen og Nini Pryds som medforfattere. Studien mottok økonomisk støtte fra en rekke tilskudd, inkludert Independent Research Fund Denmark‑tilskuddet, Innovation Fund Denmark‑tilskuddet, EliteForsk‑reisetilskuddet og mange flere.

Hva er neste for termisk diffusivitetsmikroskop

Fremtiden for termisk diffusivitetsmikroskop er travel. Denne teknologien kan rulles ut i flere industrier og vil ha direkte innvirkning på alt fra din smartklokke til den neste elbilen. Denne forskningen kan åpne døren for ingeniører til å oppnå en dypere forståelse av termiske egenskaper og utvide materialvitenskapen.

Investering i markedet for termisk sprøytebelegg

Det finnes mange selskaper i termisk beleggindustri som kan dra nytte av denne forskningen. Markedet forventes å nå 20,83 milliarder dollar innen 2030, noe som driver etterspørselen etter innovasjon og forbedrede produkter. Her er ett selskap som fortsatt tiltrekker seg investoroppmerksomhet på grunn av sine produkter og forretningsmodell.

Applied Materials

Applied Materials (AMAT ) er et wafer‑fabrikasjonsfirma basert i Santa Clara, California. Selskapet ble grunnlagt i 1967 av Michael A. McNeilly, Herbert Dwight Jr., Walter Benzing og James Bagley. Målet deres var å levere pålitelige kjemisk dampavsetningssystemer (CVD) spesielt designet for fremstilling av halvleder‑wafer.
Siden oppstarten har Applied Materials vokst til å bli verdens største produsent av halvlederutstyr. I 1993 var selskapet det første som oppnådde 1 milliard dollar i årlig omsetning i wafer‑industrien. I dag opererer firmaet på tvers av flere avanserte sektorer, og tilbyr en omfattende portefølje av raske termiske prosesseringssystemer (RTP) og anneal‑systemer på markedet.