La nanostructure optimale conçue avec MI (structure de super-réseau apériodique) a été réellement fabriquée, et la performance optimale a été vérifiée en évaluant sa conductivité thermique. Figure :la structure réelle est l'image au microscope électronique de l'échantillon fabriqué. En outre, en analysant davantage le transport des phonons dans la structure optimale, le mécanisme qui réduit la conductivité thermique a été clarifié. Crédit :L'Université de Tokyo
Le professeur Junichiro Shiomi et al. de l'Université de Tokyo visait à réduire la conductivité thermique des matériaux semi-conducteurs en réduisant la nanostructure interne. Les chercheurs ont réussi à minimiser la conductivité thermique en concevant, fabriquer et évaluer les matériaux nanostructure-multicouches optimaux grâce à l'informatique des matériaux (MI), qui combine l'apprentissage automatique et la simulation moléculaire. En 2017, ce groupe de recherche a développé une méthode pour concevoir une structure optimale qui minimise ou maximise la conductivité thermique via MI basée sur la science informatique. Cependant, cela n'avait pas été démontré expérimentalement, et la préparation de structures à l'échelle nanométrique et la réalisation d'une structure optimale basée sur des mesures de propriétés étaient souhaitées.
Ainsi, le groupe de recherche a utilisé une méthode de dépôt de film capable de réguler, au niveau moléculaire, une structure en super-réseau dans laquelle deux matériaux étaient stratifiés alternativement à plusieurs nanomètres d'épaisseur, et une méthode de mesure qui pourrait évaluer la conductivité thermique d'un film à l'échelle nanométrique, et réalisé la structure de super-réseau apériodique optimale qui minimise la conductivité thermique. Avec la structure optimale, l'interférence des ondes de la vibration du réseau (phonon) qui conduit la chaleur a été maximisée, et la conductivité thermique était fortement régulée.
Dans la présente étude, en utilisant la structure en treillis semi-conducteur comme modèle, le groupe de recherche a vérifié l'utilité de la méthode MI dans la conception, fabrication, évaluation, et mécanisme de régulation de la conductivité thermique. À l'avenir, l'application de la méthode MI à divers systèmes de matériaux est prévue. Il a également été montré que l'optimisation de la structure apériodique peut réguler la conductivité thermique en contrôlant pleinement la propriété d'onde d'un phonon à une température proche de la pièce. Cela devrait contribuer aux développements de l'ingénierie des phonons, par exemple dans les dispositifs de conversion thermoélectrique, capteurs optiques, et capteurs de gaz, où une faible conductivité thermique est nécessaire tout en maintenant la conductivité électrique et les propriétés mécaniques.
