Name: אפיון של תחבורה תרמית בחומרים מוצקים חד ממדיים (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-01-26T14:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 20 s
Description: למד את שיטת TET לאפיון תכונות תרמיות בחומרים מוצקים חד ממדיים. טכניקה זו מאפשרת מדידה מדויקת של מפזרות תרמית בחומרים מוליכים ובלתי מוליכים תוך שימוש בציפוי זהב ומצע כסף.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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/pubmed?term=((Thermal+characterization+of+microscale+conductive+and+nonconductive+wires+using+transient+electrothermal+technique%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((3+omega+method+for+specific+heat+and+thermal+conductivity+measurements%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Measurement+of+the+thermal+conductivity+of+individual+carbon+nanotubes+by+the+four-point+three-omega+method%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Thermal+characterization+of+single-wall+carbon+nanotube+bundles+using+the+self-heating+3-omega+technique%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Thermal+transport+measurements+of+individual+multiwalled+nanotubes%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Mesoscopic+thermal+transport+and+energy+dissipation+in+carbon+nanotubes%5BTitle%5D)+AND+%22Physica+B+Condens.+Matter%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Measuring+thermal+and+thermoelectric+properties+of+one-dimensional+nanostructures+using+a+microfabricated+device%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Heat+Transfer%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Thermal+conductivity+of+individual+silicon+nanowires%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Thermal+conductivities+of+individual+tin+dioxide+nanobelts%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Thermophysical+properties+of+free-standing+micrometer-thick+Poly+%283-hexylthiophene%29+films%5BTitle%5D)+AND+%22Thin+Solid+Films%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Thermo-physical+properties+of+thin+films+composed+of+anatase+TiO2+nanofibers%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Mater%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Transient+thermal+characterization+of+micro%2Fsubmicroscale+polyacrylonitrile+wires%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+A+Mater.+Sci.+Process%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Generalized+theory+of+the+photoacoustic+effect+in+a+multilayer+material%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Photo-acoustic+measurement+of+thermal+conductivity+of+thin+films+and+bulk+materials%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Heat.+Transfer%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Effect+of+zirconium%28IV%29+propoxide+concentration+on+the+thermophysical+properties+of+hybrid+organic-inorganic+films%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">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><tbody><tr><td>אוסילוסקופ זרחן דיגיטלי</td><td>Tektronix</td><td>DPO 3052</td><td>&nbsp;</td></tr><tr><td>Sputter Coater</td><td>Denton ואקום</td><td>DESK V</td><td>&nbsp;</td></tr><tr><td>מקור זרם AC ו-DC</td><td>: קית'לי</td><td>דגם 6221</td><td>&nbsp;</td></tr><tr><td>מיקרוסקופ מעבדה</td><td>אולימפוס</td><td>BX41</td><td>&nbsp;</td></tr><tr><td>משאבת ואקום שבשבת סיבובית דו-שלבית</td><td>Varian</td><td>DS102</td><td>&nbsp;</td></tr><tr><td>תא ואקום</td><td>מעבדות מכניות הנטינגטון</td><td>מוצר מותאם אישית</td><td>הלחץ בתא צריך להיות נמוך עד 1-3 mTorr בעבודה עם משאבת הוואקום</td></tr><tr><td>נוזל כסף קולואיד</td><td>טד פלה</td><td>16031</td><td>&nbsp;</td></tr></tbody></table>

אפיון של תחבורה תרמית בחומרים מוצקים חד ממדיים

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="https://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="https://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="https://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="https://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="https://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.

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

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

המטרה הכללית של הסרטון הבא היא להציג את טכניקת התגובה התרמית-חשמלית חולפת. טכניקה זו היא דרך יעילה למדידה מדויקת של הדיפוזיוביות התרמית של חומרים מוצקים. כדי להתחיל במדידה, הדגימה תלויה בין שתי אלקטרודות נחושת.משחת כסף נמרח על אזור המגע של אלקטרודת הדגימה כדי להפחית את התנגדויות המגע התרמיות והחשמליות לרמה זניחה. לאחר מכן, הדגימה כולה מושקעת בתא ואקום כדי להפחית את מעבר החום לאוויר. במהלך המדידה, זרם מדורג מוזרים דרך הדגימה כדי להשריות חימום ג'ול.פרופיל הזמן של המתח המושרה יוקלט באמצעות האוסצילוסקופ. דיפוזיוביות תרמית גבוהה יותר של הדגימה תוביל להתפתחות מהירה יותר של הטמפרטורה, כלומר לזמן קצר יותר להגעה למצב יציב. לכן, ניתן להשתמש בשינוי מתח טמפרטורה חולף זה כדי לקבוע את הדיפוזיוביות התרמית.התאמה תיאורטית של עליית הטמפרטורה הניסיונית הנורמלית מבוצעת באמצעות שימוש בערכי ניסוי שונים של הדיפוזיביות התרמית של הדגימה. הערך המעניק את ההתאמה הטובה ביותר לנתונים הניסיוניים נלקח כתכונה התרמית של הדגימות. אנא עיינו בכתב היד לרקע התיאורטי המפורט.לטכניקות TD ישנם מספר יתרונות לעומת הטכניקות ששימשה אנשים בעבר. ראשית, הן מרחיבות את מגוון החומרים שניתן למדוד. כעת ניתן למדוד הן חומרים מוליכים והן חומרים שאינם מוליכים.שנית, הדבר משפר באופן משמעותי את הדיוק הסביבתי ואת היציבות. סטודנט התשנה שלנו, Juan Lin, ידגים את ההליך בעבודה זו. דגימות שיער מראשו של אישה בריאה בת 30 משמשות כדי להראות כיצד להקים את הניסוי ולעבד את הנתונים הניסויים.ראשית, תלה את הדגימה בין שתי אלקטרודות נחושת. לאחר מכן, מרח משחת כסף באזור המגע בין הדגימה לאלקטרודות כדי להפחית את התנגדויות המגע התרמיות והחשמליות לרמה זניחה. לבסוף, השתמש במיקרוסקופ כדי לבצע בדיקה ראשונית של הדגימה.עלינו לוודא שמשחת הכסף לא זיהמה את הדגימה התלויה על ידי חלחול להמשך אורך השערה. ברגע שהשערה מזוהמת במשחת כסף, התכונות התרמיות ישתנו באופן דרסטי. אם מומות או זיהומים כלשהם נצפים, יש להכין דגימה חדשה עבור הניסוי.מכיוון שדגימות שיער ראש אנושי אינן מוליכות חשמלית, מצפים את החלק החיצוני של הדגימה בשכבה דקה מאוד של זהב בעובי של כ-40 nanometers כדי להפוך אותה למוליכה חשמלית. השפעת הזהב על הדיפוזיביות התרמית תופחת מהתוצאה הסופית. בעת עיבוד הנתונים הניסויים, יש להניח כעת את הדגימה בתא הוואקום ולשאוב אותו לרמה של one to three milour, כדי להוביל להשפעות זניחות של הולכה גזית.להלן מוזרם זרם DC מדורג דרך הדגימה כדי להשרות חימום חשמלי. פרופיל הזמן של המתח המושרה יירשם על ידי האוסצילוסקופ. לסיום.מיקרוסקופ אלקטרונים סורק ישמש לאפיון האורך והקוטר של הדגימות. התאמה תיאורטית של עליית הטמפרטורה הניסיונית הנורמלית מבוצעת באמצעות ערכי ניסוי שונים של הדיפוזיה התרמית של הדגימה. הערך המניב את ההתאמה הטובה ביותר לנתונים הניסיוניים נלקח כתכונה התרמית של דגימות שיער ראש אנושי.שתי דגימות מצופות בשכבת זהב פעמיים ונבדקו פעמיים בהתאמה. יש לנו ארבעה ערכים אפקטיביים של דיפוזיוביות תרמית, ומתוך משוואה 12 בכתב היד, אנו יודעים שציפוי הדגימה בשכבת זהב ישנה רק את ההתנגדות.הנקודה שבה עקומת ההתאמה חותכת את ציר הדיפוזיביות התרמית היא ערך הדיפוזיביות התרמית האפקטיבית כאשר ההתנגדות היא אינסופית, כלומר אין השפעה של שכבת זהב. על ידי שילוב של שתי נקודות אלו, ניתן לחשוף את הקשר בין הדיפוזיביות התרמית האמיתית, כולל השפעת הקרינה, לבין L squared over D. אנו מבצעים אקסטרפולציה ליניארית לנקודה שבה L שווה ל-0, מה שאומר שאין השפעת קרינה, והדיפוזיביות התרמית בנקודה זו היא 1.42 × 10⁻⁷ m²/s.ערך זה משקף את הדיפוזיה התרמית של הדגימה ללא השפעת הקרינה תחת השפעת ציפוי הזהב. ניתן להעריך בקלות את המוליכות התרמית הממשית באמצעות משוואה זו, במידה והצפיפות והחום הסגולי ידועים. טכניקת ה-TD היא גישה יעילה מאוד ואסורה למדידת תכונות פיזיקליות של חומרים, כעת עבור אותו חומר תוך שימוש בשני אורכים שונים.לבסוף, ניתן למדוד את סכום המוליכות ואת הדיפוזיה. כמו כן, ניתן למדוד את יעילות פני השטח אם נתונים הדחיפות והחום הסגולי של החומר.

characterization-thermal-transport-one-dimensional-solid

Research

JoVE Journal

Engineering

הנדסה

אנו מתארים את השימוש במיקרו-צמדים תרמיים כדי להעריך שיפועי טמפרטורה מקומיים בלהבות דיפוזיה של שכבת גבול למינרית יציבה. על ידי הרחבה של אנלוגיית ריינולדס, ניתן להשתמש בשיפועי טמפרטורה מקומיים כדי להעריך את קצב שריפת המסה המקומית ושטפי החום בלהבות כאלה בדיוק גבוה.

מתודולוגיה ניסויית עבור הערכת שטפי חום מקומי שיעורי הבוער Steady להבות דיפוזיה שכבה למינרית גבול

המאמר מתאר פרוטוקול להדמיית פרופילי הטמפרטורה החולפים והשונות המרחבית-טמפורלית המצומדת של לחץ הנוזל הבין-תאי, בעקבות החימום המועבר על ידי מערכת היפרתרמיה דיפולרית בתדרי רדיו. הפרוטוקול יכול לשמש להערכת התגובה של פרמטרים ביופיזיים המאפיינים את מיקרו-סביבת הגידול לטכניקות היפרתרמיה התערבותיות.

גישת מידול חישובית לחקר השפעת היפרתרמיה על מיקרו-סביבה של הגידול

מאמר זה מטפל בבעיית עליית הטמפרטורה של היחידה הראשית הטבעתית על ידי הקמת מודל פשוט וביצוע ניתוח השוואתי בשני מודולים לפתרון שדות טמפרטורה.

מחקר השוואתי של סימולציה של עליית טמפרטורה ביחידה הראשית הטבעתית

מאמר זה מציג את טכניקת תרמורפלקרטנס בתחום התדר (FDTR) לאפיון ודימות תרמי מקומי לא הרסני.

טכניקת תרמורפלקטנס בתחום התדר למדידות תכונה תרמית

סוללות ליתיום יון להעסיק אלקטרוליטים אורגניים דליקים והנפיצים המתאימים ליישומי טמפרטורת הסביבה. חלופה בטוחה יותר לאלקטרוליטים אורגניים הן סוללות פולימר מוצקות. סוללות פולימר מוצקות לפעול בבטחה בטמפרטורות גבוהות (&gt; 120 מעלות צלזיוס), ובכך הופכים אותם רלוונטיים ליישומים בטמפרטורות גבוהות כגון קידוח נפט עמוק וכלי רכב חשמליים היברידיים. מאמר זה ידון (א) את סינתזת הפולימר, (ב) מנגנון ההולכה הפולימר, ו (ג) לספק רכיבה על אופניים טמפרטורה עבור שניהם פולימר מוצק ואלקטרוליטים אורגניים.

אלקטרוליטים קופולימר שתל מצב מוצק עבור יישומי סוללת ליתיום

אנו מציגים פלטפורמה ייחודית לאפיון משטחי האלקטרודה בתאי דלק תחמוצת מוצקים (SOFCs) המאפשרת ביצוע סימולטני של שיטות אפיון מרובות...

חיטוט ומיפוי משטחי אלקטרודה דלק תאי תחמוצת מוצקות

אנו מתארים את השימוש בספקטרוסקופיה סינכרוטרון רנטגן הקליטה (סאס) ועקיף X-ray טכניקות (XRD) כדי לבחון את הפרטים של תהליכי העיבור / deintercalation בחומרי אלקטרודה עבור סוללות ליתיום נטענת וNa-ion. שניהם באתרם וניסויים באתרו לשעבר נמצאים בשימוש כדי להבין את התנהגות מבנית רלוונטית להפעלתם של מכשירים...

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

ניתן לקבוע את התכונות האופטיות, החשמליות והמבניות של נקעים ושל גבולות גרגרים בחומרים מוליכים למחצה על ידי ניסויים המבוצעים במיקרוסקופ אלקטרונים סורק. מיקרוסקופ אלקטרונים שימש לחקירת קתודולומינסנציה, זרם המושרה על ידי קרן אלקטרונים ועקיפה של אלקטרונים מפוזרים לאחור.

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

יש אירופיום thenoyltrifluoroacetonate (EuTFC) קו הארה אופטית ב 612 ננומטר, אשר יעילות ההפעלה פוחתת מאוד עם הטמפרטורה. אם מדגם מכוסה מעטה דקה של חומר זה הוא-צלם מייקרו, 612 עוצמת התגובה הזורחת ננומטר ניתנת להמרת מפה ישירה של טמפרטורת פני מדגם.

ציפוי מיקרו-הדמיה תרמית ברזולוציה גבוהה באמצעות אירופיום Chelate פלורסנט

מאמר זה מספק שיטה מפורטת לאפיין מיקרו של חומרים אולטרה-קפדניים nanocrystalline באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק מצויד במערכת backscatter אלקטרון השתברות סטנדרטי. סגסוגות מתכת ומינרלים הצגת microstructures מעודן מנותחים באמצעות טכניקה זו, המציגה את מגוון היישומים האפשריים.

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

למד את שיטת TET לאפיון תכונות תרמיות בחומרים מוצקים חד ממדיים. טכניקה זו מאפשרת מדידה מדויקת של מפזרות תרמית בחומרים מוליכים ובלתי מוליכים תוך שימוש בציפוי זהב ומצע כסף.

אפיון של תחבורה תרמית בחומרים מוצקים חד ממדיים

גלה סרטונים נוספים