Une équipe de recherche de l'Université du Tohoku a découvert que les différentes conductivités thermiques présentées par un matériau amorphe de même composition sont attribuables à la taille des anneaux atomiques dans sa structure atomique. Il s'agit de l'une des premières études démontrant que les caractéristiques structurelles des matériaux amorphes peuvent être corrélées à leurs propriétés physiques.

L'article est publié dans l'International Journal of Heat and Mass Transfer. .

Il est déjà possible de synthétiser des matériaux amorphes ayant les mêmes compositions mais des conductivités thermiques différentes. Cependant, les facteurs structurels responsables des différences de conductivité thermique n'avaient pas encore été identifiés en raison du manque de méthodes d'analyse appropriées.

Il avait été impossible d’identifier les différences structurelles entre les matériaux en germanium (Ge) amorphe ayant des conductivités thermiques différentes sur la seule base d’observations au microscope électronique à transmission (TEM) à haute résolution. L'équipe de recherche a analysé les images TEM de matériaux Ge amorphes à l'aide de techniques de science des données (analyse des données topologiques et analyse des composants principaux) et a identifié les différences structurelles entre les matériaux.

L'équipe a découvert que les structures atomiques des échantillons de films minces déposés à des températures plus basses avaient tendance à être dominées par des anneaux atomiques plus petits (Ge25), tandis que les échantillons déposés à des températures plus élevées contenaient des proportions plus élevées d'anneaux atomiques plus grands (Ge300).

Il a été démontré théoriquement que des anneaux atomiques plus grands étaient associés à une conductivité thermique plus élevée. Cette étude a révélé que le Ge300 avait une conductivité thermique plus élevée que le Ge25, des résultats cohérents avec les preuves théoriques.

Les techniques de science des données développées dans ce projet de recherche peuvent être utilisées pour identifier les phases métastables dans les matériaux, une tâche impossible à réaliser avec les techniques conventionnelles d'analyse structurelle. Ces techniques devraient donc être utiles dans le développement de matériaux de contrôle thermique à phase intégrée métastables. Ils peuvent également être utiles pour identifier les caractéristiques structurelles associées aux propriétés mécaniques, électriques et autres des matériaux amorphes en plus de leurs propriétés thermiques.

Cette recherche a été réalisée par une équipe de recherche composée de Yibin Xu (responsable du groupe des matériaux inorganiques basés sur les données, Centre de recherche fondamentale sur les matériaux, NIMS) et Kazuto Akagi (professeur agrégé, Institut avancé de recherche sur les matériaux, Université du Tohoku). Ce travail a été réalisé dans le cadre d'un projet JST CREST Exploring Unknown Materials (directeur de recherche :Professeur Hiroshi Kitagawa).

Plus d'informations : Yen-Ju Wu et al, Analyse des données topologiques des caractéristiques structurelles basées sur TEM affectant la conductivité thermique du Ge amorphe, International Journal of Heat and Mass Transfer (2023). DOI :10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.125012

Fourni par l'Institut national pour la science des matériaux