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Posted in | Nanomaterials | Nanoanalysis

Neue Studie Zeigt Wärmeströme Wie Wellen in Nanostructures

Published on November 16, 2012 at 7:04 AM

Thermoelektrische Einheiten, die Temperaturunterschiede vorspannen können, um Strom zu produzieren, würden effizientere dank neue Forschung auf Wärmeausbreitung durch die Zellen hergestellt möglicherweise, die Superlattices genannt werden.

Neue Forschung stellt dar, dass dem, das Quasipartikel Wärme-transportiert, wellenähnliche Eigenschaften in den nanostructures beibehalten Sie. (Bild: Adam Jandl und Maria Luckyanova)

Die neuen Ergebnisse stellen unerwartet dass Wärme wie Wellen sich bewegen kann, eher als Partikel, durch diese nanostructures dar: Materialien gebildet von den Schichten nur einige Billionste eines Meters in der Stärke.

Wärme - die Schwingung von Atomen und von Molekülen in einem Material - bewegt normalerweise sich in einen „Zufallspfad,“ ist der schwierig zu steuern. Die neuen Beobachtungen zeigen ein sehr anderes Muster, genannt zusammenhängenden Fluss, der eher wie Kräuselungen ist, die über einen Teich auf eine geordnete Art sich bewegen.

Dieses öffnet die Möglichkeit von neuen Materialien, in denen der Fluss der Wärme genau hergestellt werden könnte - Materialien, die wichtige Anwendungen haben konnten. Zum Beispiel führte möglicherweise solche Forschung zu neue Methoden des Verschüttens der Wärme, die durch elektronische Geräte und Halbleiter-Laser erzeugt wird, die Leistung hemmt und die Einheiten sogar zerstören kann.

Das neue Werk, durch Studenten im Aufbaustudium Maria Luckyanova, postdoc Jivtesh Garg und Professor Gruppe Chen, die ganze Abteilung MITS des Maschinenbaus - zusammen mit anderen Studenten und Professoren an MIT, an Boston-Universität, an der California Institute Of Technology Und an Boston-College - wird diese Woche in der Zapfen Wissenschaft berichtet.

Die Studie bezieht ein nanostructured Material mit ein, das einen Superlattice genannt wird: in diesem Fall rief ein Stapel wechselnde Dünnschichten des Galliumarsenids und des Aluminiumarsenmetalls, jedes abgegeben der Reihe nach durch einen Prozess Metall-organisches chemisches Bedampfen. Die Chemikalien, die diese Elemente enthalten, werden in einem Vakuum verdunstet und abgegeben dann auf einer Oberfläche, ihre Stärken, die genau durch die Dauer des Absetzungsprozesses gesteuert werden. Die resultierenden Schichten waren gerade 12 nm dick - über die Stärke eines DNS-Moleküls - und die gesamten Zellen erstreckten sich in der Stärke von 24 bis 216 nm.

Forscher hatten vorher geglaubt, dass, selbst wenn solche Schichten atomar perfekt sein konnten, es noch genügend Rauheit an den Schnittstellen zwischen den Schichten geben würde, zum des Wärme-Transportierens von Quasipartikeln zu zerstreuen, gerufen Phonone, da sie durch den Superlattice umzogen. In einem Material mit vielen Schichten, würden solche Streueffekte akkumulieren, war es Gedanke, und „zerstören Sie den Welleneffekt“ der Phonone, sagt Chen, den Professor Karl-Richard Soderberg der Energietechnik. Aber diese Annahme war nie nachgewiesen worden, also entschieden sich er und seine Kollegen, den Prozess nochmals zu prüfen, sagt er.

Tatsächlich zeigten Experimente durch Luckyanova und Computersimulationen durch Garg, dass, während solches Phase-Randomisieren Zerstreuen unter Hochfrequenzphononen stattfindet, Welleneffekte unter Niederfrequenzphononen konserviert wurden. Chen sagt, dass er sehr überrascht war, als Luckyanova mit den ersten experimentellen Daten zur Show „zurückkam, die zusammenhängende Leitung der Wärme geschieht wirklich.“

Das Verständnis der Faktoren, die diese Kohärenz steuern, könnte der Reihe nach führen, um Methoden des Brechens dieser Kohärenz und der Verringerung der Leitung der Wärme, Chen zu verbessern sagt. Dieses würde wünschenswert in den thermoelektrischen Einheiten sein, unbenutzte Wärmeenergie in alles von Triebwerkanlagen zu Elektronik vorzuspannen. Solche Anwendungen benötigen Materialien, die Strom sehr gut leiten, aber leiten Wärme sehr schlecht.

Die Arbeit konnte das Verschütten der Wärme, wie für des Abkühlens von Computerchips auch verbessern. Die Fähigkeit zu fokussieren und der direkte Wärmestrom konnten führen, um thermisches Management für solche Einheiten zu verbessern. Chen sagt, dass Forscher nicht noch solche genaue Kontrolle ausüben können, aber das neue Verständnis helfen könnte. Das Verständnis dieser Welle-basierten Vorrichtung „gibt Ihnen mehr Methoden, den Transport“ der Wärme zu manipulieren, sagt er.

Die zwei Materialien, die in diesem Experiment verwendet werden, haben sehr ähnliche Eigenschaften, sagt Luckyanova und Führungsstrom sehr gut. Aber, indem sie die Stärke steuert und der Schichten sperrt, sagt sie, „wir glaubt, dass wir den thermischen Transport manipulieren können,“ die Art des isolierenden Effektes produzierend benötigt für thermoelektrische Einheiten.

Die Rolle von Schnittstellen zwischen den Schichten eines Materials „ist etwas, die nicht wirklich verstanden wurde,“ Garg sagt. Vorhergehende Simulationen hatten die Effekte der Variante in der Oberflächenbeschaffenheit umfassen nicht gekonnt auf den Prozess, sagt er, aber „Ich verwirklichte, dass es eine Methode gab, die Rolle von den Rauheits“ Phononen auf dem Weg zu simulieren, die durch den Stapel von Schichten verschoben wurden.

Das neue Werk liefert nicht nur die Möglichkeit der Steuerung des Flusses der Wärme (größtenteils getragen durch Phonone mit kurzen Wellenlängen) aber auch für die Steuerung der Bewegung der Schallwellen (Haupt- getragen durch Langwellenlänge Phonone). „Es ist wirklich eine Sortierung des grundlegenden Verständnisses,“ sagt Chen.

Die Einblicke, die die Arbeit ermöglichten, entstanden im Großen Teil durch Interaktionen zwischen Forschern in den verschiedenen Disziplinen, ermöglicht durch die Solar-Thermische Energie-Umwandlungs-Festkörpermitte, eine Energie-GrenzMitte, die vom US-Energieministerium finanziert wurde, das regelmäßige quer-disziplinäre Sitzungen an MIT abhält. „Jene Sitzungen lieferten die langen, fruchtbaren Diskussionen, die wirklich das Papier verstärkten,“ Luckyanova sagt. Die Vielzahl von Leuten in der Gruppe „regte uns wirklich an, dieses Problem von allen Seiten in Angriff zu nehmen.“

Chris Freifrauen, ein verantwortlicher außerordentlicher Professor des Maschinenbaus am Universität Von Kalifornien, Berkeley, sagt, dass dieses die erste Studie ist, die er den hat betrachtet ausführlich dem Effekt der Anzahl von Schichten in einem Superlattice auf die Übertragung von Phononen berücksichtigt. „Die Wärmeübertragung in den Superlattices Zu Verstehen und die Steuerung ist für bestimmte optoelektronische Einheiten sehr wichtig und hat das Potenzial thermoelektrische Energieumwandlung auch auszuwirken,“ sagt er.

Die Mitverfasser des Papiers enthalten Mildred Dresselhaus, Institut-Professor Emerita; Eugene Fitzgerald, der Merton C. Flemings SMA Professor der Material-Wissenschaft und der Technik; und einige andere. Luckyanova wurde unterstützt, indem man von einem Nationals- Science Foundationabsolvent-Forschungsstipendium finanzierte.

Quelle: http://web.mit.edu

Last Update: 16. November 2012 07:48

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