纳米尺度热传播的原位观察

科技

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日本国立材料研究所（NIMS）的研究团队开发了一种技术，可以实现对材料样品内部的纳米尺度热传播路径和行为进行观察。他们利用了一种能够发射脉冲电子束的扫描透射电子显微镜（STEM）以及一种由NIMS开发的纳米尺度热电偶——高精度温度测量设备。

近年来，公众对能源节约和循环利用的兴趣大大增加。这种变化激发了科学家们开发下一代材料/器件，能够精确控制和利用热量，包括能将废热转化为电能的热电器件和能够冷却暴露在高温环境下的电子元件的散热复合材料。但由于材料的特性（如其组成和尺寸以及其中缺陷的类型和丰度）对纳米尺度热传播特性（如传播的振幅、速度、路径和机制）产生影响，因此测量材料内部的纳米尺度热传播一直是非常困难的。因此，人们一直期待着开发新的技术，能够实现对热量如何流过材料纳米结构的原位观察。

该研究团队利用STEM开发了一种纳米尺度热传播观察技术，其中通过施加脉冲纳米电子束到材料样品的特定位置，产生热量，并利用NIMS开发的纳米尺度热电偶来测量形式的温度变化。通过照射样品，可以周期性地测量不同的热波相位，并分析热波的速度和振幅。此外，通过对照射位置进行精确定位，还可以观察热波相位和振幅的时间变化。这些图像不仅可用于进行纳米尺度热导率测量，还可用于创建跟踪热传播的动画视频。

利用这一项目开发的原位技术，可以阐明材料微观结构与热量传播之间的复杂关系。该技术可能有助于研究散热复合材料内复杂的热传导机制，评估微焊接接头中的界面热传导，以及实时观察热电材料内的热行为。这可能有助于开发高性能、高效率的下一代热传输材料和热电材料/器件。

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