Elektrisches Feld steuert den Wärmetransport in Feststoffen

Durch die Beeinflussung der Art und Weise, wie sich Phononen durch ein Kristallgitter bewegen, kann ein elektrisches Feld beginnen, sowohl die Geschwindigkeit als auch die Richtung des Wärmetransports zu beeinflussen.

Forscher des Oak Ridge National Laboratory haben in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Ohio State University und der Amphenol Corporation eine Methode zur Steuerung des Wärmeflusses in festen Materialien mithilfe eines elektrischen Feldes demonstriert.Die Ergebnisse zeigen, dass bestimmte intelligente Keramiken die Art und Weise verändern können, wie sich wärmetragende Schwingungen durch einen Kristall bewegen, wodurch ein elektrisch abstimmbarer Wärmetransport ermöglicht wird.

Die Fähigkeit, den Wärmefluss innerhalb eines Materials zu regulieren, könnte praktische Auswirkungen auf Technologien haben, bei denen das Wärmemanagement von entscheidender Bedeutung ist.Elektrisch gesteuerte Wärmeleitung kann eine verbesserte Kühlung in elektronischen Systemen, eine effizientere Festkörper-Energieumwandlung und eine bessere Wärmeregulierung in Geräten im Chip-Maßstab unterstützen.Die Richtungssteuerung des Wärmetransports könnte auch Anwendungen zugute kommen, bei denen übermäßige Wärme die Systemleistung einschränkt.

Der Ansatz funktioniert, indem er die Art und Weise verändert, wie sich Atomschwingungen durch das Kristallgitter bewegen.Wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, richten sich interne Ladungen innerhalb der Keramik entlang der Feldrichtung aus.Diese Ausrichtung verringert die Streuung von Phononen, den mikroskopischen Schwingungen, die für den Wärmetransport durch Festkörper verantwortlich sind.Mit weniger Störungen auf ihrem Weg können sich die Schwingungen weiter ausbreiten, bevor Energie verloren geht, was zu einer längeren Lebensdauer der Phononen und einem schnelleren Wärmetransport führt.

Der Effekt wird in einer Materialklasse beobachtet, die als ferroelektrische Keramik auf Relaxorbasis bekannt ist.Wenn sie einem elektrischen Feld ausgesetzt werden, richten sich ihre inneren Dipole in einem Prozess aus, der als Polung bezeichnet wird.Messungen zeigen, dass Phononen, die sich entlang der Feldrichtung bewegen, länger bestehen bleiben als solche, die sich senkrecht dazu bewegen, wodurch die Wärmeleitfähigkeit entlang der Feldrichtung auf fast das Dreifache der über den Kristall beobachteten Wärmeleitfähigkeit ansteigt.Das Verhalten wurde durch Experimente untersucht, die an der Spallations-Neutronenquelle durchgeführt wurden, wobei inelastische Neutronenstreuung zum Einsatz kam, um sowohl die Atomstruktur als auch die dynamische Bewegung innerhalb des Materials zu beobachten.

Puspa Upreti, Postdoktorandin am Oak Ridge National Laboratory, sagt, dass die Arbeit auf neue Möglichkeiten für das Management thermischer Energie in fortschrittlichen Materialien hinweist.„Die Möglichkeit, sowohl die Geschwindigkeit als auch die Art und Weise des Wärmeflusses zu steuern, könnte zu Geräten führen, die die Wärmeenergie weitaus effizienter verwalten.“