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

Stöd för detta arbete från Office of Naval Research (N000141210603) och armén Research Office (W911NF1010381) är tacksamt. Delvis stöd för detta arbete från National Science Foundation (CBET-0.931.290, CMMI-0.926.704, och CBET-0.932.573) har också erkänt.

1. Experimentförfarande <ol><li> Samla prov. I detta arbete är mänskliga huvudet hår prover de samlats in från en 30-årig frisk asiatisk kvinna. </li><li> Suspendera provet mellan två kopparelektroder såsom visas i fig. 1A. Applicera silverpasta på provet-elektrodkontakt för att minska den termiska och elektriska kontaktmotstånd till en försumbar nivå. </li><li> Använd ett mikroskop för att göra en preliminär kontroll av provet och vara säker på att silverpasta inte förorenar den suspenderade provet. </li><li> Eftersom mänskliga huvudet hår prover är inte elektriskt ledande, belägga utsidan av provet med ett mycket tunt lager av guld-film (~ 40 nm) för att göra det elektriskt ledande. </li><li> Placera provet i vakuumkammaren och pumpa det till 1-3 mTorr. </li><li> Mata ett steg likström genom provet att införa elvärme och den inducerade spänningen-tid (V - t) profil kommer att spelas in med hjälp av ett oscilloskop. </li&gt; <li> Få provet ut ur kammaren och bestryk det med ett tunt lager av guld-film (~ 40 nm), och upprepa steg 1,5 och 1,6. </li><li> Förbered ett nytt prov med en annan längd, och upprepa steg 1,2-1,7. </li><li> Använd svepelektronmikroskop (SEM) för att karakterisera längd och diameter av proverna (långa och korta sådana). </li></ol> 2. Databehandling Normalisera den experimentella temperaturstegring först, och genomföra den teoretiska montering av att genom användning av olika försöksvärdena för den termiska diffusiviteten hos provet. Detta förfarande diskuteras i Guo arbete 1 i detalj. Sedan subtrahera effekten av radiativa förluster och parasit konduktion på termisk diffusivitet, och beräkna den termiska ledningsförmågan. Detaljer ges nedan. <ol><li> Bestäm den effektiva värmespridning En schematisk av TET experimentet visas i Figur 1A. I mätningen, mata ett steg strömgenom provet för att inducera joule uppvärmning. Använd ett oscilloskop för att spela in den inducerade spänning-tid-(V - t) profil, som visas i fig 1B. Hur snabb / långsam temperaturen ökar bestäms av två konkurrerande processer: en är joule uppvärmning, och den andra är värmeledningen från provet till elektroderna. En högre värmediffusionsförmåga av provet kommer att leda till en snabbare temperaturutveckling, vilket innebär en kortare tid för att nå stationärt tillstånd. Därför kan övergående förändring i spänning / temperatur användas för att bestämma den termiska diffusivitet. Vid bestämning av värmespridning i provet, behövs ingen verklig temperaturstegring. I själva verket är endast den normaliserade temperaturökning baserat på spänningsökningen användas. Processerna för att bestämma termisk diffusivitet och värmeledningsförmåga beskrivs nedan. <ol><li> Förenkla värmeöverföringen till en endimensionell: Ta värmeöverföring av provet i en dimension längs<html> axiell riktning. Notera: Längden på kabeln skall vara mycket längre än dess diameter. Mer detaljer kan hänvisas till Guo arbete 1. <ol><li> Lös för det normaliserade temperaturstegring (T *, även känd som den rumsliga medeltemperatur över hela provet) över provet för en endimensionell värmeöverföring problemet med hjälp av följande ekvation: <img alt="1" fo:content-width="1.8in" height="46" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image002.gif" width="260" /> (1) α och L är den termiska diffusivitet och längden på provet. </li><li> Lös för den normaliserade temperaturstegring från spännings evolution (V tråd) registrerats av oscilloskop, och genomföra uppgifter som stämmer med att bestämma den termiska diffusiviteten. Spänningen över tråden är relaterad till dess temperatur som: 0 &quot;/&gt; (2) R 0 är resistansen hos provet före upphettning, I den ström som passerar genom provet, och k värmeledningsförmågan. Q 0 är den elektriska värmeeffekten per enhetsvolym. Det är tydligt att den uppmätta spänningsförändringen i sig är relaterad till temperaturförändringar hos provet. Den normaliserade temperaturstegring T * exp baserad på experimentella data kan beräknas som T * exp = (V tråd - V 0) / (V 1 - V 0), där V 0 och V 1 är de ursprungliga och slutliga spänningar över prov (såsom visas i Figur 1B). Efter att ha fått T * exp, använda olika testvärden för α för att beräkna den teoretiska T * genom att använda ekvation 1 och montera den experimentella retat (T * exp). MATLAB används för programmering för att jämföra de experimentella och teoretiska värden genom tillämpning av den minsta kvadrat passande teknik, och tar det värde som ger den bästa passningen av T * exp som den termiska diffusiviteten hos provet. </li></ol></li></ol></li><li> Subtrahera effekten av strålningsförluster och gas ledning Under TET termisk karakterisering, kan effekten av strålningsförlusterna bli betydande om provet har en mycket stor bildförhållande (L / D, D: prov diameter), särskilt för prover med låg värmeledningsförmåga. Även om trycket i vakuumkammaren inte är mycket låg, kommer värmeöverföringen till luften påverkar mätningen i någon viss utsträckning. Den värmeöverföringshastighet av strålning från provytan kan uttryckas som: <img alt="" fo:content-width="3.1in" height="29" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image002_0001.gif" width="390" /> , (3) where ε är den effektiva emissions av provet, A är den yta, T yttemperaturen, T 0 temperaturen i omgivningen (vakuumkammare), och θ = T -. T 0 I de flesta fall, θ &lt;&lt; T 0 , då: <img alt="" fo:content-width="1.05in" height="23" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image002_0002.gif" width="138" /> (4) Genom att omvandla ytan strålning och gas konduktion till kroppen kylkälla, värmeöverförings styrande ekvation för provet blir: <img alt="" fo:content-width="2.25in" height="49" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image002_0003.gif" width="345" /> , (5) där h är koefficienten av gas ledning. I vår fysiska modellen, eftersom elektroderna är mycket större än provet och har utmärkt värmeledning, är provets temperatur vidtas vid rumstemperatur ent kontakten. Eftersom θ (x, t) = T (x, t) - T 0, är randvillkoret θ (0, t) = θ (L, T) = θ (x, 0) = 0. Lösningen till ekvation 5 är: <img alt="" fo:content-width="3.5in" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image002_0004.gif" width="489" /> (6) Här f definieras som - (16 εδT 0 3 / D 4 h / D) L 2 / π 2 k, vilket är dimensionslös. Det är en typ av Biot-talet, vars storlek indikerar mängden värmeförlust från sidorna av provet. Integrera denna ekvation längs x-riktningen och medeltemperaturen kan erhållas: <img alt="" fo:content-width="3in" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image002_0005.gif" width="408" /> (7) Så den normaliserade average temperaturen är: <img alt="" fo:content-width="4.2in" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image004_0005.gif" width="510px" /> (8) Efter noggrann numerisk och matematisk studie, med α eff = α (1 - f), kan T * approximeras som <img alt="" fo:content-width="2.2in" height="48" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image008.gif" width="288" /> (9) Numeriska beräkningar har genomförts för att undersöka riktigheten av ovanstående approximation. Observera att, när f är mindre än 0 är det maximala absoluta skillnaden i hela övergående tillstånd mindre än 0,014 (visad i fig. 2). Till sist: <img alt="" fo:content-width="1.7in" height="50" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image010.gif" width="218" /> (10) Eftersom experimentet utföres i vakuumkammare vid mycket lågt tryck (1-3 mTorr), är gasen conduction effekt (h) försumbart<html> ble. Så förenkla ekvation 10 som: <img alt="" fo:content-width="1.4in" height="49" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image012.gif" width="173" /> (11) Denna ekvation visar att den uppmätta värmediffusionsförmåga använder TET teknik har ett linjärt samband med effekten av strålningsförluster (4 εσT 0 3). Använd sådan teoretisk bakgrund för att subtrahera effekten av strålningsförluster och gas ledning. </li><li> Bestäm riktig termisk diffusivitet och konduktivitet Den bestämda termisk diffusivitet (α) i ekvation 11 har fortfarande effekten av parasitledning om det testade provet är belagt med en tunn guldfilm. Den termiska transporteffekten orsakad av det belagda lagret kan dras med hjälp av Wiedemann-Franz lag med försumbar osäkerhet. Den verkliga termisk diffusivitet (α) av provet bestäms som en: .1 I &quot;height =&quot; 47 &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/51144/51144_clip_image002_0006.gif &quot;width =&quot; 134 &quot;/&gt;, (12) ρc p är volymbaserade specifika värme, som kan erhållas från kalibrering, beröringsfria foto termisk teknik eller mätning av densitet och specifik värme för sig. L Lorenz, T, och A är Lorenz-nummer, provets temperatur och tvärsnittsarea, respektive. Eftersom <img alt="" fo:content-width="2.4in" height="46" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image004_0006.gif" width="343" /> , Är det uppenbart att α eff har ett linjärt samband med 1 / R, så i experimentet, belägga ett prov med guld film två gånger (vilket gör att förändringen av 1 / R) och testa två gånger kan eliminera effekten av parasit ledning av kurvan montering. För verklig värmeledningsförmåga k, kan det vara lätt utvärderas med användning av k = ρc p45;. </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>

Det finns inget att lämna ut.

I experimentet förfarandet tre steg [steg 2), 3) och 5)] är mycket kritiska för att lyckas med att karakterisera termiska egenskaper exakt. Till steg 2) och 3), behöver mycket uppmärksamhet ägnas på att tillämpa silverpasta endast på prov-elektrodkontakt. Det är väldigt lätt att förorena suspenderade provet med silverpasta, och de termiska egenskaperna kommer att öka om det händer. Så i steg 3), tar prov med mikroskop noga, om någon smitta-silverpasta appliceras eller utvidgas till det suspenderade prov-märks, behöver ett nytt prov för att vara beredd på det experimentet. När ekvation 10 förenklas till ekvation 11 antas det att experimentet genomförs i en vakuumkammare vid mycket lågt tryck (1-3 mTorr), så gas conduction effekt är försumbar. Efter att ha gjort en rad tester vid olika tryck, bekräftas det att, i ekvation 10, gasen beteendeion koefficient h är proportionell mot trycket p som h = γp. Koefficienten γ är relaterad till en parameter som kallas termisk platskoefficient som speglar energikoppling / utbyte koefficient när gasmolekylerna strejkmaterialytan. Γ kan beräknas som ξπ 2 Dρc P / (4 L 2) där ξ är lutningen hos den termiska diffusiviteten mot tryck. γ varierar från prov till prov. Denna gas lednings faktor kan påverkas starkt av materialets ytstruktur och den rumsliga konfigurationen i kammaren under TET karakterisering. Till steg 5), genomför experimentet vid mycket lågt tryck (1-3 mTorr) kommer att se till att denna komplicerade gas ledning effekten är försumbar. Ytans emissivitet (ε) av proverna som mäts av denna teknik kan också beräknas with ges värdet på volymbaserad specifika värme (ρc p), som kan erhållas från kalibrering, beröringsfria foto termisk teknik 13-15 eller mäta densitet och specifik värme för sig. Efter subtraktion av effekten av parasitledning, termisk diffusivitet (α verklig + rad) som visas i figur 6 har bara effekten av strålningsförluster, <img alt="" fo:content-width="2in" height="60" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image002_0011.gif" width="342" /> . Det är lätt att känna till att: <img alt="" fo:content-width="1.7in" height="59" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image004_0010.gif" width="244" /> (13) Här T 0 är rumstemperaturen, L diameter prover, och D är diametern av provet. Det finns flera begränsningar i TET teknik. Först den karakteristiska tiden At c för thermal transport i provet, vilket är lika med 0,2026 L 2 / α 1, bör vara mycket större än stigtiden (ca 2 ^ sek) för den aktuella källan. Annars kommer noggrannheten i spänningsutvecklingen påverkas avsevärt. Så det krävs att urvalet längd L inte vara för liten eller värmespridning α bör inte alltför stor. För det andra, kommer temperaturen hos provet stiga med cirka 20 till 30 ° i experimentet. Inom detta intervall bör resistansen hos provet har ett linjärt förhållande till temperaturen. Det beror på att i den del av teoretisk bakgrund, är det känt att den uppmätta spänningsförändringen i sig är relaterad till temperaturförändringar hos provet. Om resistansen hos provet inte har ett linjärt förhållande till temperatur, kan spänningen evolutionen inte stå för temperaturutvecklingen. För det tredje bör den spänning av provet har ett linjärt förhållande tilllikströmmen matas under experimentet. Detta innebär vid en viss temperatur, kommer motståndet inte ändras när DC aktuella förändringar. Det är väl känt att halvledare inte har denna egenskap. Sammanfattningsvis är det TET-tekniken en mycket effektiv och robust metod för att mäta de termiska egenskaperna hos olika typer av material. För samma material, bara testa två prover med olika längd vardera två gånger, alla viktiga termiska egenskaper hos material, såsom värmespridning, värmeledningsförmåga, och ytan emissions (om ρc p ges), kan karakteriseras.

Tet teknik 1 är en effektiv metod som utvecklats för att mäta termisk diffusivitet av fasta material, inklusive ledande, halvledande eller icke ledande endimensionella strukturer. I det förflutna har det enda tråd 3ω metod 2-4 och mikro-fabricerade enhet metod 5-9 utvecklats för att mäta de termiska egenskaperna hos endimensionella strukturer på mikro / nanoskala. För att bredda mätningsområdet för material (ledande och icke ledande) och förbättra noggrannhet och stabilitet har transient elektrotermiska (TET) teknik utvecklats för karakterisering av termofysikaliska egenskaperna hos mikro / nanotrådar. Denna teknik har använts framgångsrikt för termisk karakterisering av fristående mikrometer tjock poly (3-hexyltiofen) filmer 10, tunna filmer sammansatta av anatas-TiO 2 nanofibrer 11, enda vägg kolnanorör 1, mikro / submicroscale polyakrylnitril trådar 12, och proteinfibrer. Efter eliminering av effekten av parasitledning (om provet är belagt med ett skikt av guld för att göra det elektroniskt ledande) och strålningsförluster, kan den verkliga termisk diffusivitet erhållas. Då den verkliga värmeledningsförmåga kan beräknas med ett givet värde på volymbaserad specifik värme (ρc p), som kan erhållas från kalibrering, kontaktfri foto termisk teknik, eller mätning av densitet och specifik värme separat.

<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

Tet (transient elektrotermiska) teknik är en effektiv metod som utvecklats för att mäta den termiska diffusivitet av fasta material, inklusive ledande, halvledande eller icke ledande endimensionella strukturer. Denna teknik breddar mätningsområdet för material (ledande och icke ledande) och förbättrar noggrannheten och stabiliteten. Om provet (särskilt biomaterial, såsom humant huvudhår, spindel silke och silkesmask silke) inte är ledande, kommer det att vara belagd med ett guldskikt för att göra det elektroniskt ledande. Effekten av parasitledning och strålningsförluster på värmediffusionsförmåga kan dras vid databehandling. Då den verkliga värmeledningsförmåga kan beräknas med det givna värdet för volymbaserad specifik värme (ρc p), som kan erhållas från kalibrering, kontaktfri foto termisk teknik eller mätning av densitet och specifik värme separat. I detta arbete, mänskliga huvudet hår prover användningd för att visa hur man ställer in experimentet, bearbeta experimentella data, och subtrahera effekten av parasitledning och strålningsförluster.

Montering av de experimentella data för mänskliga huvudet hår prov 1 (längd 0.788 mm, överdragna med guld filmen bara en gång) visas i figur 3. Dess värmediffusionsförmåga bestäms vid 1,67 x 10 -7 m 2 / sek, som inbegriper effekten av strålningsförluster och parasitisk ledning. Figur 4 är en typisk SEM-bild av mänskliga huvudet hår. De korta och långa prover är belagda med guld film två gånger och testades två gånger, respektive, baserat på ekvation 12, kan effekten av parasitiska lednings lätt kan dras genom kurvanpassning, såsom visas i Figur 5. Den punkt där beslaget kurvan korsar den α eff-axeln är värdet av α eff när resistansen är oändlig, vilket innebär att effekten av parasit konduktion i ekvation 12 är 0. Två mänskliga huvudet hår prover med olika längder mäts för att erhålla två skär. Detaljer om experimental villkor och mätresultaten är sammanställda i Tabell 1. Genom att kombinera dessa två punkter, förhållandet mellan α eff och L 2 / D kan avslöjas. Från de uppmätta paren (α 1, L 1 2 / D-1) och (α 2, L 2 2 / D-2), linjär extrapolering (såsom visas i fig. 6) utförs till punkten för L = 0 (vilket innebär ingen effekten av strålningsförluster), och termisk diffusivitet på den punkten är 1,42 x 10 -7 m 2 / sek [= α 1 - (α 1 - α 2) * L 1 2 / D 1 / (L 1 2 / D 1 - L 2 2 / D-2)]. Detta värde återspeglar den termiska diffusivity av provet utan effekten av strålningsförluster och parasitisk ledning. För mänskliga huvudet hår, är densiteten kännetecknas av att vikta flera delar av håret och volymmätning, och värderas till 1.100 kg / m 3. Den specifika värme mäts med hjälp av DSC (Differential Scanning Calorimetry) och värderas till 1.602 kJ / kg K. Så den verkliga värmeledningsförmåga är 0,25 W / m K. Detaljer av experimentella parametrar och resultat för mänskliga huvudet hår prov 1 och 2 är visas i tabell 1. <img alt="Figur 1" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/51144/51144fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51144/51144fig1.jpg" width="500px" /> Figur 1. A) schema över TET experimentet och B) en typisk V-T-profil. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/51144/51144fig1highres.jpg" target="_blank">C</a><html> slicka här för att visa en större bild. <img alt="Figur 2" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/51144/51144fig2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51144/51144fig2.jpg" width="500px" /> Figur 2. Skillnaden mellan T * och dess approximation med hjälp av ekvation 9. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/51144/51144fig2highres.jpg" target="_blank">Klicka här för att visa en större bild</a> . <img alt="Figur 3" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/51144/51144fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51144/51144fig3.jpg" width="500px" /> Figur 3. Jämförelse mellan experimentella data och teoretiska passande resultat för den normaliserade temperaturökning som funktion av tiden (mänskliga huvudet hår prov 1).&gt; Klicka här för att visa en större bild. <img alt="Figur 4" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/51144/51144fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51144/51144fig4.jpg" width="500px" /> Figur 4. En typisk SEM-bild av mänskliga huvudet hår. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/51144/51144fig4highres.jpg" target="_blank">Klicka här för att visa en större bild</a> . <img alt="Figur 5" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/51144/51144fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51144/51144fig5.jpg" width="500px" /> Figur 5. Monterings resultat för värmespridning förändring mot 1 / R för provet mänskliga huvudet hår 1 och 2. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/51144/51144fig5highres.jpg" target="_blank">Klicka här för att visa en större bild</a> . <p class="jove_content" fo:keep-together.witunn-page = &quot;alltid&quot;&gt; <img alt="Figur 6" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/51144/51144fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51144/51144fig6.jpg" width="600px" /> Figur 6. Beslaget resultat för den verkliga värmespridning av mänskliga huvudet hår prover. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/51144/51144fig6highres.jpg" target="_blank">Klicka här för att visa en större bild</a> . <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="473"><colgroup><col /><col /><col /></colgroup><tbody><tr height="52"><td height="52" style="height:52px;width:249px;"> Mänskliga huvud hårprover </td><td style="width:111px;"> Prov 1 (Kort) </td><td style="width:115px;"> Prov 2 (Lång) </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> Längd (mm) </td><td> 0,788 </td><td style="width:115px;"> 1,468 </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> Diameter (mm) </td><td> 74,0 </td><td style="width:115px;"> 77,8 </td></tr><tr height="25"><td height="25" style="height:25px;"> α real + strålning (x 10 -7 m 2 / sek) </td><td> 1,48 </td><td style="width:115px;"> 1,62 </td></tr><tr height="25"><td height="25" style="height:25px;"> α real (x 10 -7 m 2 / sek) </td><td colspan="2"> 1,42 </td></tr><tr height="25"><td height="25" style="height:25px;"> ρ c p (x 10 6 J / m 3 K) </td><td colspan="2"> 1,76 </td></tr><tr height="25"><td height="25" style="height:25px;"> Real värmeledningsförmåga (W / m K) </td><td colspan="2"> 0,25 </td></tr></tbody></table> Tabell 1: Uppgifter om experimentella parametrar och resultat för mänskliga huvudet hår.

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

Tet (transient elektrotermiska) tekniken är en effektiv metod utvecklats för att mäta den termiska diffusivitet av fasta material.

Karakterisering av Termisk Transport i Endimensionella Solid Material

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

Solid-state ympsampolymer elektrolyter för applikationer litiumbatteri

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

Sondering och Mappa elektrodytorna i fast bränsleceller oxid

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

Karakterisering av elektrodmaterial för Lithium Ion och Sodium Ion batterier Använda tekniker Synchrotron Radiation

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

Tryckning Tillverkning av Bulk hetero solceller och<em&gt; In Situ</em&gt; Morfologi Karakterisering

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

Omfattande karakterisering av Extended Defekter i Halvledarmaterial med en svepelektronmikroskop

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

Högupplöst Termisk Micro-avbildning med europiumkelat Självlysande Coatings

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

Karaktärisering av ultra finkornig och nanokristallina material att använda Transmission Kikuchi Diffraction

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

En ny metod för<em&gt; I situ</em&gt; Elektromekanisk karaktärisering av nanoskalaprover

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

Fokuserad Ion Beam tillverkning av LiPON-baserade SSD Lithium-ion Nanobatteries för In Situ testning

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

Elektriska-fältet kontroll av elektroniska staterna i WS2 nanomaskiner sig av elektrolyt 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 ...