Une équipe de recherche du NIMS a développé une technique qui permet l'observation à l'échelle nanométrique des chemins de propagation de la chaleur et du comportement au sein d'échantillons de matériaux. Ceci a été réalisé à l'aide d'un microscope électronique à transmission et à balayage (STEM) capable d'émettre un faisceau d'électrons pulsés et d'un thermocouple de taille nanométrique, un dispositif de mesure de température de haute précision développé par NIMS. La recherche est publiée dans Science Advances .

L’intérêt du public pour les économies d’énergie et le recyclage s’est considérablement accru ces dernières années. Ce changement a inspiré les scientifiques à développer des matériaux/dispositifs de nouvelle génération capables de contrôler et d'utiliser la chaleur avec un degré élevé de précision, notamment des dispositifs thermoélectriques capables de convertir la chaleur perdue en électricité et des composites de dissipation thermique capables de refroidir les composants électroniques exposés à des températures élevées.

Il a été difficile de mesurer la propagation de la chaleur à l'échelle nanométrique dans les matériaux car ses caractéristiques (c'est-à-dire les amplitudes, les vitesses, les chemins et les mécanismes de propagation des ondes thermiques progressives) varient en fonction des caractéristiques d'un matériau (c'est-à-dire sa composition et sa taille ainsi que les types et abondance de défauts en son sein) auquel la chaleur est appliquée. Le développement de nouvelles techniques permettant d'observer in situ la façon dont la chaleur circule à travers les nanostructures des matériaux avait donc été anticipé.

Cette équipe de recherche a développé une technique d'observation de la propagation de la chaleur à l'échelle nanométrique utilisant un STEM dans laquelle un faisceau d'électrons pulsé de taille nanométrique est appliqué à un site spécifique d'un échantillon de matériau, générant de la chaleur qui est ensuite mesurée sous la forme de changements de température à l'aide d'un thermocouple nanométrique développé par NIMS. .

L'irradiation de l'échantillon avec un faisceau d'électrons pulsés permet la mesure périodique des différentes phases des ondes thermiques et l'analyse des vitesses et des amplitudes des ondes thermiques.

De plus, le repositionnement précis à l’échelle nanométrique des sites d’irradiation permet l’imagerie des changements temporels dans les phases et les amplitudes des ondes thermiques. Ces images peuvent être utilisées non seulement pour effectuer des mesures de conductivité thermique à l'échelle nanométrique, mais également pour créer une vidéo animée de suivi de la propagation de la chaleur.

Les relations complexes entre les microstructures des matériaux et la manière dont la chaleur les traverse peuvent être élucidées en observant la propagation de la chaleur à l'échelle nanométrique à l'aide de la technique in situ développée dans ce projet.

La technique peut permettre l'étude des mécanismes complexes de conduction thermique au sein des composites de dissipation thermique, l'évaluation de la conduction thermique interfaciale au sein des joints micro-soudés et l'observation in situ du comportement thermique au sein des matériaux thermoélectriques.

Cela pourrait contribuer au développement de matériaux de transport thermique et de matériaux/dispositifs thermoélectriques de nouvelle génération, à haute performance et à haut rendement.

Plus d'informations : Hieu Duy Nguyen et al, Observations in situ des ondes thermiques STEM pour étudier la diffusivité thermique dans les matériaux et dispositifs à l'échelle nanométrique, Science Advances (2024). DOI :10.1126/sciadv.adj3825

Fourni par l'Institut national pour la science des matériaux