Un gruppo di ricerca dell'Università di Tohoku ha scoperto che le diverse conduttività termiche esibite da un materiale amorfo con la stessa composizione sono attribuibili alle dimensioni degli anelli atomici nella sua struttura atomica. Questo è uno dei primi studi che dimostrano che le caratteristiche strutturali dei materiali amorfi possono essere correlate con le loro proprietà fisiche.
L'articolo è pubblicato sull'International Journal of Heat and Mass Transfer .
È già possibile sintetizzare materiali amorfi con la stessa composizione ma diversa conduttività termica. Tuttavia, i fattori strutturali responsabili delle differenze nella conduttività termica dovevano ancora essere identificati a causa della mancanza di metodi analitici adeguati.
Era stato impossibile identificare le differenze strutturali tra materiali di germanio amorfo (Ge) con diverse conduttività termiche basandosi solo sull'osservazione al microscopio elettronico a trasmissione (TEM) ad alta risoluzione. Il team di ricerca ha analizzato le immagini TEM del materiale Ge amorfo utilizzando tecniche di data science (analisi dei dati topologici e analisi dei componenti principali) e ha identificato differenze strutturali tra i materiali.
Il team ha scoperto che le strutture atomiche dei campioni di film sottile depositati a temperature più basse tendevano ad essere dominate da anelli atomici più piccoli (Ge25) mentre i campioni depositati a temperature più elevate contenevano proporzioni più elevate di anelli atomici più grandi (Ge300).
È stato dimostrato teoricamente che anelli atomici più grandi sono associati a una maggiore conduttività termica. Questo studio ha rilevato che il Ge300 aveva una conduttività termica maggiore rispetto al Ge25:risultati coerenti con le prove teoriche.
Le tecniche di scienza dei dati sviluppate in questo progetto di ricerca possono essere utilizzate per identificare le fasi metastabili nei materiali, un compito impossibile da raggiungere utilizzando le tecniche di analisi strutturale convenzionali. Si prevede pertanto che queste tecniche siano utili nello sviluppo di materiali per il controllo termico metastabili con fase integrata. Possono anche essere utili per identificare le caratteristiche strutturali associate alle proprietà meccaniche, elettriche e di altro tipo dei materiali amorfi oltre alle loro proprietà termiche.
Questa ricerca è stata condotta da un gruppo di ricerca composto da Yibin Xu (Leader, Gruppo di materiali inorganici basati sui dati, Centro per la ricerca di base sui materiali, NIMS) e Kazuto Akagi (Professore associato, Istituto avanzato per la ricerca sui materiali, Università di Tohoku). Questo lavoro è stato condotto come parte di un progetto JST CREST Exploring Unknown Materials (supervisore della ricerca:Professor Hiroshi Kitagawa).
Ulteriori informazioni: Yen-Ju Wu et al, Analisi dei dati topologici delle caratteristiche strutturali basate su TEM che influenzano la conduttività termica del Ge amorfo, International Journal of Heat and Mass Transfer (2023). DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.125012
Fornito dall'Istituto nazionale per la scienza dei materiali
