La nanostruttura ottimale progettata con MI (struttura superreticolo aperiodica) è stata effettivamente fabbricata, e la prestazione ottimale è stata verificata valutandone la conducibilità termica. Figura:la struttura reale è l'immagine al microscopio elettronico del campione fabbricato. Inoltre, analizzando ulteriormente il trasporto fononico nella struttura ottimale, è stato chiarito il meccanismo che riduce la conducibilità termica. Credito:Università di Tokyo
Il professor Junichiro Shiomi et al. dell'Università di Tokyo mirava a ridurre la conduttività termica dei materiali semiconduttori riducendo la nanostruttura interna. I ricercatori sono riusciti a ridurre al minimo la conduttività termica progettando, fabbricazione e valutazione dei materiali nanostrutturati-multistrato ottimali attraverso l'informatica dei materiali (MI), che combina apprendimento automatico e simulazione molecolare. Nel 2017, questo gruppo di ricerca ha sviluppato un metodo per progettare una struttura ottimale che riduce al minimo o massimizza la conduttività termica tramite MI basato sulla scienza computazionale. Però, non era stato dimostrato sperimentalmente, e si desiderava la preparazione di strutture su nanoscala e la realizzazione di una struttura ottimale basata su misurazioni di proprietà.
Così, il gruppo di ricerca ha utilizzato un metodo di deposizione di film in grado di regolare, a livello molecolare, una struttura superreticolo in cui due materiali sono stati alternativamente stratificati a diversi nanometri di spessore, e un metodo di misurazione in grado di valutare la conduttività termica di un film su scala nanometrica, e realizzato la struttura del superreticolo aperiodico ottimale che riduce al minimo la conduttività termica. Con la struttura ottimale, l'interferenza dell'onda della vibrazione reticolare (fonone) che conduce il calore è stata massimizzata, e la conduttività termica era fortemente regolata.
In questo studio, utilizzando la struttura reticolare a semiconduttore come modello, il gruppo di ricerca ha verificato l'utilità del metodo MI nella progettazione, fabbricazione, valutazione, e meccanismo verso la regolazione della conduttività termica. Nel futuro, è prevista l'applicazione del metodo MI a vari sistemi di materiali. È stato inoltre dimostrato che l'ottimizzazione della struttura aperiodica può regolare la conduttività termica controllando completamente la proprietà ondulatoria di un fonone a temperatura prossima all'ambiente. Si prevede che ciò contribuirà agli sviluppi nell'ingegneria dei fononi, ad esempio nei dispositivi di conversione termoelettrica, sensori ottici, e sensori di gas, dove è necessaria una bassa conduttività termica mantenendo la conduttività elettrica e le proprietà meccaniche.
