Name: characterization of thermal transport in one-dimensional solid materials
Uploaded: 2014-01-26T14:00:00
Duration: 5 min 20 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Characterization of Thermal Transport in One-dimensional Solid Materials at JoVE.com

תמיכה בעבודה זו ממשרד מחקר של צי (N000141210603) ומחקר הצבא Office (W911NF1010381) הוא הודה בהכרת תודה. תמיכה חלקית של עבודה זו מהקרן הלאומית למדע (CBET-0,931,290, CMMI-0,926,704, וCBET-0,932,573) היא גם הודתה.

1. נוהל ניסוי <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> איסוף דגימה. בעבודה זו, דגימות שיער ראש האדם נאספות מנשי אסיה בריאה בן 30. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להשעות את המדגם בין שתי אלקטרודות נחושת כפי שמוצג באיור 1 א. מרח משחה כסף במגע המדגם-אלקטרודה לצמצום התנגדויות מגע התרמית וחשמליות לרמה אפסית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש במיקרוסקופ כדי לעשות בדיקה הראשונית של המדגם ולוודא כי דבק הכסף לא לזהם את המדגם על תנאי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מאז דגימות שיער ראש האדם אינן מוליך חשמלי, מעיל מחוץ למדגם בשכבה דקה מאוד של סרט זהב (~ 40 ננומטר) כדי להפוך אותו מוליך חשמלי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שים את המדגם בתא הוואקום ולשאוב אותו ל1-3 mTorr. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להאכיל את זרם DC צעד באמצעות המדגם להציג חימום חשמלי ומתח בזמן המושרה (V - t) פרופיל יירשם באמצעות אוסצילוסקופ. </li&gt; <li style=";text-align:right;direction:rtl"> קבל המדגם מתוך החדר ומעיילו עם עוד שכבה דקה של סרט זהב (~ 40 ננומטר), וחזור על שלבים 1.5 ו1.6. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכן מדגם חדש עם אורך שונה, וחזור על שלבים 1.2-1.7. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש במיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) כדי לאפיין את האורך וקוטר של הדגימות (אלה ארוכים וקצרים). </li></ol> 2. עיבוד נתונים לנרמל את עליית הטמפרטורה הניסיונית הראשון, ולבצע את ההתאמה התיאורטית של שבאמצעות ערכי משפט שונים של diffusivity התרמית של המדגם. הליך זה נדון בעבודתו של גואו 1 בפירוט. אחר כך להפחית את ההשפעה של הפסדי קרינה והולכה טפילה על diffusivity תרמית, ולחשב את מוליכות תרמית. מקבלים פרטים בהמשך. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לקבוע את diffusivity התרמית היעילה סכמטי של הגדרת ניסוי TET מוצג באיור 1 א. במדידה, להאכיל נוכחית צעדבאמצעות המדגם כדי לגרום לחימום ג&#39;אול. השתמש אוסצילוסקופ כדי להקליט (V - t) מושרה מתח פעמי הפרופיל שמוצג באיור 1. כמה מהר / להאט את העלייה בטמפרטורה נקבע על ידי שני תהליכים מתחרים: האחד הוא חימום ג&#39;אול, והשני הוא מעבר החום מהמדגם לאלקטרודות. Diffusivity תרמית גבוהה יותר של המדגם תוביל לאבולוצית טמפרטורה מהר יותר, כלומר זמן קצר יותר כדי להגיע למצב היציב. לכן, שינוי מתח / טמפרטורה החולף יכול לשמש כדי לקבוע את diffusivity התרמית. בעת קביעת diffusivity תרמית של המדגם, אין צורך בעליית טמפרטורה אמיתית. למעשה, משמשת רק את עליית הטמפרטורה המנורמלת המבוססת על עליית המתח. התהליכים לקביעת diffusivity התרמית ומוליכות תרמית המפורטות להלן. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לפשט את העברת חום לחד ממדי: קח את העברת החום של המדגם בממד אחד לאורך<html> כיוון צירי. הערה: אורכו של התיל חייב להיות ארוך הרבה יותר מקוטרו. ניתן להפנות פרטים נוספים לעבודתו של גואו 1. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לפתור לעליית הטמפרטורה המנורמלת (T *, הידוע גם בטמפרטורה ממוצעת על פני מרחבי המדגם כולו) על המדגם לבעיה מעבר חום חד ממדית באמצעות המשוואה הבאה: <img alt="1" fo:content-width="1.8in" height="46" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image002.gif" width="260" /> (1) α ו-L הוא diffusivity ואורך התרמית של המדגם. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לפתור לעליית הטמפרטורה המנורמלת מהתפתחות המתח (חוט V) נרשמה על ידי אוסצילוסקופ, ונתונים התנהגות הולם כדי לקבוע את diffusivity התרמית. המתח על החוט קשור לטמפרטורה שלו כמו: 0 &quot;/&gt; (2) R 0 הוא ההתנגדות של המדגם לפני החימום, אני עובר הנוכחי באמצעות המדגם, וk מוליכות תרמית. Q 0 הוא כוח החימום החשמלי ליחידת נפח. ברור שהשינוי במתח הנמדד הוא מטבעו קשור לשינוי בטמפרטורה של המדגם. Exp המנורמל טמפרטורת עליית T * מבוסס על נתוני הניסוי ניתן לחשב את T * exp = (חוט V - V 0) / (V 1 - V 0), שבו V 0 וV 1 הם המתח הראשוני וסופי על פני מדגם (כפי שמודגם באיור 1). לאחר קבלת T exp *, להשתמש בערכי משפט שונים של α לחשב * T התיאורטי על ידי יישום משוואת 1 ולהתאים מחדש הניסיונייםתירררוצים (T * exp). MATLAB משמש לתכנות כדי להשוות את הערכים הניסיוניים ותיאורטי על ידי יישום הטכניקה הולמת רבועה לפחות, ולקחת את ערך נתינה בכושר הטוב ביותר של T exp * כdiffusivity התרמית של המדגם. </li></ol></li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפחת את ההשפעה של הפסדי קרינה והולכת גז במהלך אפיון תרמי TET, ההשפעה של הפסדי קרינה יכולה להיות משמעותית אם המדגם יש יחס גדול מאוד היבט (L / D, D: קוטר מדגם), במיוחד עבור דגימות של מוליכות תרמית נמוכות. גם אם הלחץ של תא הוואקום הוא לא מאוד נמוך, העברת החום לאוויר תשפיע על המדידה למידה מסוימת כלשהי. קצב העברת החום של קרינה ממדגם השטח יכול לבוא לידי ביטוי: <img alt="" fo:content-width="3.1in" height="29" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image002_0001.gif" width="390" /> , (3) wheמחדש ε היא פליטת האנרגיה היעילה של המדגם, של פני השטח, T טמפרטורת פני השטח, T 0 את הטמפרטורה של הסביבה (תא ואקום), וθ = T -. T 0 ברוב המקרים, θ &lt;&lt; T 0 , ואז: <img alt="" fo:content-width="1.05in" height="23" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image002_0002.gif" width="138" /> (4) על ידי המרת קרינת המשטח והולכת גז למקור קירור גוף, משוואת שלטון העברת החום לדגימה נעשה: <img alt="" fo:content-width="2.25in" height="49" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image002_0003.gif" width="345" /> , (5) כאשר h הוא המקדם של הולכת גז. במודל הפיזי שלנו, שכן אלקטרודות גדולות בהרבה מהמדגם ויש הולכת חום מעולה, הטמפרטורה של המדגם נלקחת בטמפרטורת חדרt ליצירת קשר. בגלל θ (x, t) = T (x, t) - T 0, תנאי הגבול הוא θ (0, t) = θ (L, t) = θ (x, 0) = 0. הפתרון למשוואת 5 הוא: <img alt="" fo:content-width="3.5in" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image002_0004.gif" width="489" /> (6) הנה f מוגדרת כ-- L (16 εδT 0 3 / D +4 h / D) 2 / π 2 k, שהוא חסר ממדים. זהו סוג של מספר ביו גודל שמציין את כמות איבוד חום מהצדדים של המדגם. ניתן להשיג לשלב משוואה זו לאורך x-הכיוון והטמפרטורה הממוצעת: <img alt="" fo:content-width="3in" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image002_0005.gif" width="408" /> (7) אז שד המנורמלטמפרטורת זעם היא: <img alt="" fo:content-width="4.2in" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image004_0005.gif" width="510px" /> (8) לאחר מחקר מספרי ומתמטי זהיר, עם = α α EFF (1 - ו), T * יכול להיות מקורב כמו <img alt="" fo:content-width="2.2in" height="48" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image008.gif" width="288" /> (9) חישובים מספריים שנערכו ללמוד את הדיוק של הקירוב לעיל. שים לב, שכאשר f הוא פחות מ 0, ההבדל המוחלט המרבי בכל המצב החולף הוא פחות מ 0.014 (המוצג באיור 2). לבסוף: <img alt="" fo:content-width="1.7in" height="50" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image010.gif" width="218" /> (10) בגלל הניסוי שנערך בתא ואקום בלחץ נמוך מאוד (1-3 mTorr), ההשפעה להולכת גז (h) היא negligi<html> ble. אז לפשט את המשוואה 10 כ: <img alt="" fo:content-width="1.4in" height="49" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image012.gif" width="173" /> (11) משוואה זו מוכיחה כי יש לו את diffusivity התרמית נמדדה באמצעות טכניקת TET ביחס ליניארי עם ההשפעה של הפסדי קרינה (4 εσT 0 3). השתמש ברקע תיאורטי כזה כדי להפחית את ההשפעה של הפסדי קרינה והולכת גז. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לקבוע diffusivity ומוליכות תרמית אמיתית Diffusivity הנחושה התרמית (α) ב11 משוואה עדיין יש לו את ההשפעה של הולכה טפילה אם המדגם נבדק מצופה בסרט זהב דק. השפעת התחבורה התרמית הנגרמת על ידי השכבה המצופה יכולה להיות מופחת באמצעות חוק Wiedemann-פרנץ עם חוסר ודאות זניחה. Diffusivity האמיתית התרמית (α) של המדגם נקבעת כ1: .1 ב&quot; height = &quot;47&quot; src = &quot;/ files/ftp_upload/51144/51144_clip_image002_0006.gif&quot; width = &quot;134&quot; /&gt;, (12) p ρc הוא חום המבוסס על נפח מסוים, שניתן להשיג מכיול, טכניקת צילום תרמי ללא מגע או מדידת הצפיפות וחום סגולי בנפרד. L לורנץ, T, והם מספר ורנץ, הטמפרטורה של המדגם ושטח חתך, בהתאמה. כי <img alt="" fo:content-width="2.4in" height="46" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image004_0006.gif" width="343" /> , נראה שיש EFF α קשר לינארי עם 1 / R, ולכן בניסוי, ציפוי מדגם אחד עם סרט זהב פעמיים (דבר שיגרום לשינוי של 1 / R) ובדיקת פעמיים יכול לחסל את ההשפעה של הולכה טפילה על ידי התאמה עקומה. עבור k מוליכות תרמית אמיתי, זה יכול להיות מוערך בקלות באמצעות k = p ρc45;. </li></ol>

<ol>
	<li>Guo, J. Q., Wang, X. W., Wang, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+characterization+of+microscale+conductive+and+nonconductive+wires+using+transient+electrothermal+technique.">Thermal characterization of microscale conductive and nonconductive wires using transient electrothermal technique.</a> J. Appl. Phys. 101, (2007).</li><li>Lu, L., Yi, W., Zhang, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3+omega+method+for+specific+heat+and+thermal+conductivity+measurements.">3 omega method for specific heat and thermal conductivity measurements.</a> Rev. Sci. Instrum. 72, 2996-3003 (2001).</li><li>Choi, T. Y., Poulikakos, D., Tharian, J., Sennhauser, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+the+thermal+conductivity+of+individual+carbon+nanotubes+by+the+four-point+three-omega+method.">Measurement of the thermal conductivity of individual carbon nanotubes by the four-point three-omega method.</a> Nano Lett. 6, 1589-1593 (2006).</li><li>Hou, J. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+characterization+of+single-wall+carbon+nanotube+bundles+using+the+self-heating+3-omega+technique.">Thermal characterization of single-wall carbon nanotube bundles using the self-heating 3-omega technique.</a> J. Appl. Phys. 100, (2006).</li><li>Kim, P., Shi, L., Majumdar, A., McEuen, P. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+transport+measurements+of+individual+multiwalled+nanotubes.">Thermal transport measurements of individual multiwalled nanotubes.</a> Phys. Rev. Lett. 87, (2001).</li><li>Kim, P., Shi, L., Majumdar, A., McEuen, P. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mesoscopic+thermal+transport+and+energy+dissipation+in+carbon+nanotubes.">Mesoscopic thermal transport and energy dissipation in carbon nanotubes.</a> Physica B Condens. Matter. 323, 67-70 (2002).</li><li>Shi, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measuring+thermal+and+thermoelectric+properties+of+one-dimensional+nanostructures+using+a+microfabricated+device.">Measuring thermal and thermoelectric properties of one-dimensional nanostructures using a microfabricated device.</a> J. Heat Transfer. 125, 881-888 (2003).</li><li>Li, D. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+conductivity+of+individual+silicon+nanowires.">Thermal conductivity of individual silicon nanowires.</a> Appl. Phys. Lett. 83, 2934-2936 (2003).</li><li>Shi, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+conductivities+of+individual+tin+dioxide+nanobelts.">Thermal conductivities of individual tin dioxide nanobelts.</a> Appl. Phys. Lett. 84, 2638-2640 (2004).</li><li>Feng, X. H., Wang, X. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermophysical+properties+of+free-standing+micrometer-thick+Poly+(3-hexylthiophene)+films.">Thermophysical properties of free-standing micrometer-thick Poly (3-hexylthiophene) films.</a> Thin Solid Films. 519, 5700-5705 (2011).</li><li>Feng, X., Wang, X., Chen, X., Yue, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermo-physical+properties+of+thin+films+composed+of+anatase+TiO2+nanofibers.">Thermo-physical properties of thin films composed of anatase TiO2 nanofibers.</a> Acta Mater. 59, 1934-1944 (2011).</li><li>Guo, J. Q., Wang, X. W., Zhang, L. J., Wang, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transient+thermal+characterization+of+micro/submicroscale+polyacrylonitrile+wires.">Transient thermal characterization of micro/submicroscale polyacrylonitrile wires.</a> Appl. Phys. A Mater. Sci. Process. 89, 153-156 (2007).</li><li>Hu, H. P., Wang, X. W., Xu, X. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Generalized+theory+of+the+photoacoustic+effect+in+a+multilayer+material.">Generalized theory of the photoacoustic effect in a multilayer material.</a> J. Appl. Phys. 86, 3953-3958 (1999).</li><li>Wang, X. W., Hu, H. P., Xu, X. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photo-acoustic+measurement+of+thermal+conductivity+of+thin+films+and+bulk+materials.">Photo-acoustic measurement of thermal conductivity of thin films and bulk materials.</a> J. Heat. Transfer. 123, 138-144 (2001).</li><li>Wang, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+zirconium(IV)+propoxide+concentration+on+the+thermophysical+properties+of+hybrid+organic-inorganic+films.">Effect of zirconium(IV) propoxide concentration on the thermophysical properties of hybrid organic-inorganic films.</a> J. Appl. Phys. 104, (2008).</li></ol>

אין מה לחשוף.

בהליך הניסוי, שלושה שלבים [שלב 2), 3) ו -5)] הם קריטיים מאוד להצלחה של אפיון תכונות תרמיות באופן מדויק. עבור שלב 2) ו -3), הרבה תשומת לב צריכה להיות משולמת על יישום דבק כסף רק במגע המדגם-אלקטרודה. זה קל מאוד לזהם המדגם המושעה עם דבק כסף, ואת תכונות תרמיות יגדלו אם זה יקרה. אז בשלב 3), לבדוק את המדגם עם מיקרוסקופ בזהירות, אם בכלל, לזיהום דבק כסף מיושם או שהועמד למושעה מדגם הוא שם לב, מדגם חדש צריך להיות מוכן לניסוי. כאשר המשוואה 10 היא פשוטה למשוואת 11, הנחה הוא כי הניסוי שנערך בתא ואקום בלחץ נמוך מאוד (1-3 mTorr), ולכן ההשפעה להולכת גז הינה זניחה. אחרי שעשיתי סדרה של בדיקה בלחצים שונים, הוא אישר כי, ב10 משוואה, התנהלות הגזh מקדם יון הוא פרופורציונאלי ללחץ p כשעות = γp. Γ מקדם קשור לפרמטר שנקרא מקדם אירוח תרמית המשקף את מקדם צימוד אנרגיה / החלפה כאשר מולקולות הגז לפגוע פני החומר. Γ יכול להיות מחושב כξπ 2 Dρc P / (4 L 2) שבו ξ הוא השיפוע של diffusivity התרמית נגד לחץ. γ משתנה ממדגם למדגם. גורם ההולכה גז זה יכול להיות מושפע במידה רבה ממבנה חומר המשטח והתצורה מרחבית בתא במהלך אפיון TET. עבור שלב 5), שנהל את הניסוי בלחץ נמוך מאוד (1-3 mTorr) יהיה לוודא כי השפעת הולכת גז מסובכת זה זניחה. פליטת אנרגית פני השטח (ε) של הדגימות שנמדדו על ידי טכניקה זו גם יכולה להיות מחושבת wiה הערך נתון של חום המבוסס על נפח מסוים (עמ &#39;ρc), אשר ניתן להשיג מכיול, טכניקת מגע צילום תרמי 13-15 או מדידת הצפיפות וחום סגולי בנפרד. לאחר הפחתת ההשפעה של הולכה טפילה, diffusivity התרמית (α rad + האמיתי) שמוצג באיור 6 יש רק את ההשפעה של הפסדי קרינה, <img alt="" fo:content-width="2in" height="60" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image002_0011.gif" width="342" /> . זה קל לדעת כי: <img alt="" fo:content-width="1.7in" height="59" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image004_0010.gif" width="244" /> (13) כאן T 0 הוא טמפרטורת החדר, L הקוטר של דגימות שנבדקו, ו-D בקוטר של המדגם. ישנן מספר מגבלות של טכניקת TET. ראשית, זמן Δt ג האופייני להתחבורת ermal במדגם, אשר שווה ל.2026 L 2 / α 1, צריך להיות הרבה יותר גדול מהזמן העלייה (כ -2 μsec) של המקור הנוכחי. אחרת, את הדיוק של התפתחות המתח יושפע באופן משמעותי. אז זה דורש שהמדגם L האורך לא צריך להיות קטן מדי או α diffusivity התרמית צריך לא גדול מדי. שנית, בטמפרטורה של המדגם תעלה בכ 20-30 ° בניסוי. בטווח זה, ההתנגדות של המדגם צריכה להיות קשר לינארי לטמפרטורה. זאת משום בחלק מרקע תיאורטי, זה ידוע שהשינוי במתח הנמדד הוא מטבעו קשור לשינוי בטמפרטורה של המדגם. אם ההתנגדות של המדגם אין קשר לינארי לטמפרטורה, האבולוציה המתח לא יכולה לסבול לאבולוציה הטמפרטורה. שלישית, את המתח של המדגם צריך להיות קשר לינארי כדיזרם DC האכיל במהלך הניסוי. משמעות דבר היא בטמפרטורה מסוימת, ההתנגדות לא תשתנה בעת שינויי זרם DC. זה ידוע היטב כי אין לי מוליכים למחצה נכס זה. לסיכום, טכניקת TET היא גישה יעילה מאוד ויציבה למדידת תכונות תרמיות מסוגים שונים של חומרים. מאותו החומר, רק לבדוק שתי דגימות עם אורך שונה בכל פעמיים, כל תכונות תרמיות החשובות של חומרים, כגון diffusivity תרמית, מוליכות תרמית, ופליטת אנרגית פני השטח (אם p ρc ניתן), ניתן לאפיין.

טכניקת TET 1 היא גישה יעילה שפותחה כדי למדוד את diffusivity התרמית של חומרים מוצקים, כוללים מבנים חד ממדיים מוליכים, מוליכי למחצה או nonconductive. בעבר, השיטה אחת החוט 3ω 2-4 ושיטת ההתקן מפוברק מיקרו 5-9 פותחו כדי למדוד את תכונות תרמיות של מבנים חד ממדיים במייקרו / ננו. על מנת להרחיב את היקף המדידה של חומרים (מוליך וnonconductive) ולשפר את הדיוק ויציבות, הטכניקה חולפת אלקטרו תרמית (TET) פותחה לאפיון של מאפייני thermophysical של חוטי מיקרו / ננו. טכניקה זו שמשה בהצלחה לאפיון תרמי של סרטי מיקרומטר עבה חופשיים עומדים midi (3-hexylthiophene) 10, סרטים דקים המורכב של Tio anatase 2 nanofibers 11, 1, מיקרו / פולי submicroscale צינורות פחמן בעלי קיר אחדחוטי אקרילוניטריל 12, וסיבי חלבון. בניטרול ההשפעה של הולכה טפילה (אם המדגם הוא מצופה בשכבת זהב כדי להפוך מוליך אלקטרונית אותו) והפסדי קרינה, ניתן להשיג diffusivity התרמית של ממש. אז מוליכות תרמית אמיתיות יכולות להיות מחושבת עם ערך נתון של חום המבוסס על נפח מסוים (עמ &#39;ρc), אשר ניתן להשיג מכיול, טכניקת צילום תרמי ללא מגע, או מדידת הצפיפות וחום סגולי בנפרד.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="985">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:260px;">Digital Phosphor Oscilloscope</td>
			<td style="width:275px;">Tektronix</td>
			<td style="width:119px;">DPO 3052</td>
			<td style="width:331px;"> </td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:260px;">Sputter Coater</td>
			<td style="width:275px;">Denton Vacuum</td>
			<td style="width:119px;">DESK V</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:260px;">AC and DC Current Source</td>
			<td style="width:275px;">KEITHLEY</td>
			<td style="width:119px;">Model 6221</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:260px;">Laboratory Microscope</td>
			<td style="width:275px;">Olympus</td>
			<td style="width:119px;">BX41</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;width:260px;">Dual Stage Rotary Vane Vacuum Pump</td>
			<td style="width:275px;">Varian</td>
			<td style="width:119px;">DS102</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="71">
			<td height="71" style="height:71px;width:260px;">Vacuum Chamber</td>
			<td style="width:275px;">Huntington Mechanical Laboratories</td>
			<td style="width:119px;">Customized Product</td>
			<td style="width:331px;">The pressure in the chamber should be as low as 1-3 mTorr 
			when working with the vacuum pump</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:260px;">Colloidal Silver Liquid</td>
			<td style="width:275px;">Ted Pella</td>
			<td style="width:119px;">16031</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

characterization of thermal transport in one-dimensional solid materials

טכניקת TET (חולף אלקטרו תרמי) היא גישה יעילה שפותחה כדי למדוד את diffusivity התרמית של חומרים מוצקים, כוללים מבנים חד ממדיים מוליכים, מוליכי למחצה או nonconductive. טכניקה זו מרחיבה את היקף המדידה של חומרים (מוליך וnonconductive) ומשפרת את הדיוק ויציבות. אם המדגם (בעיקר חומרים ביולוגיים, כגון שיער ראש האדם, עכביש משי, ומשי תולעת משי) אינו מוליך, זה יהיה מצופה בשכבת זהב כדי לעשות את זה באופן אלקטרוני מוליך. ההשפעה של הולכה טפילה והפסדי קרינה בdiffusivity התרמית יכולה להיות מופחת במהלך עיבוד הנתונים. אז מוליכות תרמית אמיתיות יכולות להיות מחושבת עם הערך נתון של חום המבוסס על נפח מסוים (עמ &#39;ρc), אשר ניתן להשיג מכיול, טכניקת צילום תרמי ללא מגע או מדידת הצפיפות וחום סגולי בנפרד. בעבודה זו, דגימות שיער ראש אדם הן שימושד כדי להראות כיצד להגדיר את הניסוי, לעבד את נתוני הניסוי, ולחסר את ההשפעה של הולכה טפילה והפסדי קרינה.

התאמה של נתוני ניסוי לשיער הראש אנושי מדגם 1 (מ&quot;מ אורך .788, מצופה בזהב סרט רק פעם אחת) מוצג באיור 3. diffusivity התרמית שלה נקבעה ב1.67 x 10 -7 מ &#39;2 / sec, הכולל את ההשפעה של הפסדי קרינה והולכה טפילה. איור 4 היא תמונת SEM אופיינית לשיער ראש האנושי. דגימות קצרות וארוכות מצופות בזהב סרט פעמיים ונבדקו פעמיים, בהתאמה, על בסיס ביום 12 במשוואה, את ההשפעה של הולכה טפילה יכולה להיות מופחת בקלות על ידי עקומה הולמת כפי שמוצגת באיור 5. הנקודה שבה עקום הולם מצטלבת עם EFF-ציר α היא הערך של EFF של α כאשר ההתנגדות היא אינסופית, מה שאומר שההשפעה של הולכה טפילה ב12 משוואה היא 0. שתי דגימות שיער ראש אדם עם אורכים שונים נמדדות לקבלת שני מצטלב. פרטים על expתנאי erimental ותוצאות מדידה מסוכמים בטבלה 1. על ידי שילוב של שתי הנקודות הללו, את מערכת היחסים בין EFF של α ויכול להתגלות L 2 / D. מהזוגות שנמדדו של (α 1, 1 ליטר 2 / D 1) ו (α 2, L 2 2 / D 2), אקסטרפולציה ליניארית (כפי שמוצג באיור 6) נעשה לנקודה = 0 של L (כלומר אין השפעה של הפסדי קרינה), וdiffusivity תרמית בשלב זה היא 1.42 x 10 -7 מ &#39;2 / sec [= α 1 - (α 1 - α 2) * L 1 2 / D 1 / (1 ​​ליטר 2 / D - 1 L 2 2 / D 2)]. ערך זה משקף את dif התרמיתfusivity של המדגם ללא השפעת הפסדי קרינה והולכה טפילה. לשיער ראש אדם, הצפיפות מאופיינת על ידי שקלול כמה קווצות שיער ומדידת הנפח שלהם, והיא נמדדת ב1,100 קילוגרם / מ 3. החום הסגולי נמדד באמצעות DSC (דיפרנציאל סריקת Calorimetry) ונמדדת ב1.602 kJ / ק&quot;ג ק אז מוליכות תרמית אמיתיות היא 0.25 W / מ &#39;ק פרטים של פרמטרים ואת תוצאות לשיער הראש אנושי מדגם 1 ו -2 הן ניסיוניים מוצג בטבלה 1. <img alt="איור 1" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/51144/51144fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51144/51144fig1.jpg" width="500px" /> איור 1. א) סכמטי של הגדרת ניסוי TET ו-B) בפרופיל ה-V-t טיפוסי. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/51144/51144fig1highres.jpg" target="_blank">C</a><html> ללקק כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר. <img alt="איור 2" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/51144/51144fig2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51144/51144fig2.jpg" width="500px" /> איור 2. ההבדל בין * T והקירוב שלה באמצעות משוואת 9. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/51144/51144fig2highres.jpg" target="_blank">לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.</a> <img alt="איור 3" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/51144/51144fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51144/51144fig3.jpg" width="500px" /> איור 3. השוואה בין נתוני ניסוי והתוצאה ראויה תיאורטית לעליית הטמפרטורה המנורמלת לעומת זמן (שיער הראש אנושי מדגם 1).<html> &gt; לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר. <img alt="איור 4" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/51144/51144fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51144/51144fig4.jpg" width="500px" /> איור 4. תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים סורק אופייניות לשיער ראש האנושי. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/51144/51144fig4highres.jpg" target="_blank">לחצו כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.</a> <img alt="איור 5" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/51144/51144fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51144/51144fig5.jpg" width="500px" /> איור 5. התוצאות מתאימות לשינוי diffusivity תרמית נגד 1 / R עבור מדגם שיער הראש האנושי 1 ו -2. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/51144/51144fig5highres.jpg" target="_blank">לחצו כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.</a> דק page = &quot;תמיד&quot;&gt; <img alt="איור 6" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/51144/51144fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51144/51144fig6.jpg" width="600px" /> איור 6. התוצאה הראויה לdiffusivity התרמית האמיתית של דגימות שיער הראש אנושיות. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/51144/51144fig6highres.jpg" target="_blank">לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.</a> <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="473" style=";text-align:right;direction:rtl"><colgroup><col /><col /><col /></colgroup><tbody><tr height="52"><td height="52" style="height:52px;width:249px;"> דגימות שיער ראש אדם </td><td style="width:111px;"> לדוגמא 1 (קצר) </td><td style="width:115px;"> דוגמא 2 (ארוך) </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> אורך (מ&quot;מ) </td><td> 0.788 </td><td style="width:115px;"> 1.468 </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> קוטר (מ&quot;מ) </td><td> 74.0 </td><td style="width:115px;"> 77.8 </td></tr><tr height="25"><td height="25" style="height:25px;"> α קרינה + אמיתית (x 10 -7 מ &#39;2 / sec) </td><td> 1.48 </td><td style="width:115px;"> 1.62 </td></tr><tr height="25"><td height="25" style="height:25px;"> α אמיתי (x 10 -7 מ &#39;2 / sec) </td><td colspan="2"> 1.42 </td></tr><tr height="25"><td height="25" style="height:25px;"> p ρ c (x 10 6 J / 3 מ &#39;K) </td><td colspan="2"> 1.76 </td></tr><tr height="25"><td height="25" style="height:25px;"> מוליכות תרמית אמיתיות (K W / מ &#39;) </td><td colspan="2"> 0.25 </td></tr></tbody></table> טבלה 1: פרטים של פרמטרים ניסיוניים ותוצאות לשיער ראש אנושי.

Watch this Scientific Journal Video about Characterization of Thermal Transport in One-dimensional Solid Materials at JoVE.com

Characterization of Thermal Transport in One-dimensional Solid Materials

טכניקת TET (חולף אלקטרו תרמי) היא גישה יעילה שפותחה כדי למדוד את diffusivity התרמית של חומרים מוצקים.

אפיון של תחבורה תרמית בחומרים מוצקים חד ממדיים

The TET (transient electro-thermal) technique is an effective approach developed to measure the thermal diffusivity of solid materials, including ...

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Physics

Engineering

Unit 1

Motion Along a Straight Line

SCIENTISTS IN ACTION

Solid-state Graft Copolymer Electrolytes for Lithium Battery Applications

אלקטרוליטים קופולימר שתל מצב מוצק עבור יישומי סוללת ליתיום

Battery safety has been a very important research area over the past decade. Commercially available lithium ion batteries employ low flash point (&lt;80 ...

Probing and Mapping Electrode Surfaces in Solid Oxide Fuel Cells

חיטוט ומיפוי משטחי אלקטרודה דלק תאי תחמוצת מוצקות

Solid oxide fuel cells (SOFCs) are potentially the most efficient and cost-effective solution to utilization of a wide variety of fuels beyond hydrogen ...

Characterization of Electrode Materials for Lithium Ion and Sodium Ion Batteries Using Synchrotron Radiation Techniques

אפיון של חומרי אלקטרודה לסוללות ליתיום יון ויון נתרן באמצעות טכניקות Synchrotron קרינה

Intercalation compounds such as transition metal oxides or phosphates are the most commonly used electrode materials in Li-ion and Na-ion batteries. ...

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

ייצור הדפסת תאים סולריים heterojunction הגורף<em&gt; באתרו</em&gt; אפיון מורפולוגיה

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices ...

Comprehensive Characterization of Extended Defects in Semiconductor Materials by a Scanning Electron Microscope

אפיון מקיף של פגמים מורחבים סמיקונדקטור חומרים על ידי מיקרוסקופ סורק האלקטרוני

Extended defects such as dislocations and grain boundaries have a strong influence on the performance of microelectronic devices and on other applications ...

High-resolution Thermal Micro-imaging Using Europium Chelate Luminescent Coatings

ציפוי מיקרו-הדמיה תרמית ברזולוציה גבוהה באמצעות אירופיום Chelate פלורסנט

Micro-electronic devices often undergo significant self-heating when biased to their typical operating conditions. This paper describes a convenient ...

Characterization of Ultra-fine Grained and Nanocrystalline Materials Using Transmission Kikuchi Diffraction

אפיון של אולטרה-קפדניים Nanocrystalline חומרים באמצעות דיפרקציה הילוכים קיקוצ&#39;י

One of the challenges in microstructure analysis nowadays resides in the reliable and accurate characterization of ultra-fine grained (UFG) and ...

A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

שיטה חדשה עבור<em&gt; באתרו</em&gt; אפיון אלקטרומכני של דגימות ננומטריות

Electrically assisted deformation (EAD) is increasingly being used to improve the formability of metals during processes such as sheet metal rolling and ...

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

יון ממוקדת קרן פבריקציה נוספת של Nanobatteries המבוסס על LiPON של מצב מוצק ליתיום בחיי עיר בדיקה

Solid-state electrolytes are a promising replacement for current organic liquid electrolytes, enabling higher energy densities and improved safety of ...

Electric-field Control of Electronic States in WS2 Nanodevices by Electrolyte Gating

Electric-field Control of Electronic States in WS2 Nanodevices by Electrolyte Gating

פקד שדה חשמלי של הברית אלקטרונית ב- WS Nanodevices2 מאת אלקטרוליט Gating

A method of carrier number control by electrolyte gating is demonstrated. We have obtained WS2 thin flakes with atomically flat surface via scotch tape ...