توصيف النقل الحراري في المواد الصلبة ذات بعد واحد
Summary
تقنية TET (الكهربائية الحرارية عابرة) هو نهج فعال وضعت لقياس الانتشارية الحرارية من المواد الصلبة.
Abstract
تقنية TET (الكهربائية الحرارية عابرة) هو نهج فعال وضعت لقياس الانتشارية الحرارية للمواد الصلبة، بما في ذلك الهياكل ذات بعد واحد موصل، شبه موصل أو نونكوندوكتيفي. هذه التقنية يوسع نطاق قياس المواد (موصل ونونكوندوكتيفي) ويحسن دقة والاستقرار. إذا كانت العينة (وخاصة المواد الحيوية، مثل شعر رأس الإنسان، حرير العنكبوت، ودودة القز الحرير) ليست مؤاتية، وسوف تكون مغلفة بطبقة من الذهب لجعلها موصلة إلكترونيا. تأثير التوصيل الطفيلية والخسائر الإشعاعي على انتشارية الحراري يمكن أن تطرح أثناء معالجة البيانات. ثم يمكن حساب التوصيل الحراري حقيقية مع قيمة معينة من الحرارة على أساس حجم معين (ρc ع)، والتي يمكن الحصول عليها من المعايرة، تقنية الصور الحرارية نونكونتاكت أو قياس كثافة وحرارة محددة بشكل منفصل. في هذا العمل، وعينات من شعر رأس الإنسان هي استخدامد لإظهار كيفية إعداد التجربة، معالجة البيانات التجريبية، وطرح تأثير التوصيل الطفيلية والخسائر الإشعاعي.
Introduction
تقنية TET 1 هو نهج فعال وضعت لقياس الانتشارية الحرارية للمواد الصلبة، بما في ذلك الهياكل ذات بعد واحد موصل، شبه موصل أو نونكوندوكتيفي. في الماضي، وقد وضعت في سلك واحد طريقة 3ω 2-4 وطريقة التجهيز الجزئي الجهاز 5-9 لقياس الخواص الحرارية هياكل واحدة الأبعاد في الدقيقة / النانو. من أجل توسيع نطاق قياس المواد (موصل ونونكوندوكتيفي) وتحسين دقة والاستقرار، وقد وضعت عابرة الكهربائية الحرارية (TET) تقنية لتوصيف خصائص thermophysical من الأسلاك الدقيقة / النانو. وقد استخدمت هذه التقنية بنجاح لتوصيف الحرارية الخالية من مكانة بولي (3 hexylthiophene) أفلام ميكرومتر سميكة 10، الأغشية الرقيقة تتكون من ألياف النانو أناتاسي تيو 2 11، واحدة جدار أنابيب الكربون النانوية 1، الصغرى / بولي submicroscaleأسلاك الأكريلونيتريل 12، وألياف البروتين. بعد القضاء على تأثير التوصيل الطفيلية (إذا تم المغلفة العينة مع طبقة من الذهب لجعلها موصلة إلكترونيا) والإشعاعي الخسائر، ويمكن الحصول على انتشارية الحراري الحقيقي. ثم يمكن حساب التوصيل الحراري حقيقية مع قيمة معينة من الحرارة على أساس حجم معين (ρc ع)، والتي يمكن الحصول عليها من المعايرة، تقنية الصور الحرارية الاتصال، أو قياس كثافة وحرارة محددة بشكل منفصل.
Protocol
Representative Results
Discussion
في إجراء التجربة، ثلاث خطوات [الخطوة 2) و 3) و 5)] حاسمة جدا لنجاح تميز الخواص الحرارية بدقة. الخطوة 2) و 3)، يحتاج الكثير من الاهتمام يجب أن يدفع على تطبيق لصق الفضة فقط في الاتصال عينة القطب. فمن السهل جدا لتلوث العينة علقت مع الفضة عجينة، وسوف تزيد من الخواص الحرارية إذا كان هذا يحدث. لذلك في الخطوة 3)، والتحقق من العينة مع المجهر بعناية، إذا تم تطبيق أي تلوث معجون الفضة أو تمديدها لوقف التنفيذ وعينة لاحظت، يحتاج إلى نموذج جديد لتكون مستعدة للتجربة.
عندما يتم تبسيط المعادلة 10 إلى 11 المعادلة، فمن المفترض أن تتم التجربة في فراغ الغرفة تحت ضغط منخفض جدا (1-3 mTorr)، وبالتالي فإن تأثير التوصيل الغاز لا يكاد يذكر. بعد القيام بسلسلة من الاختبار عند ضغوط مختلفة، وأكد أنه، في المعادلة 10، سلوك الغازأيون معامل ح يتناسب مع ع ح = الضغط كما γp. يرتبط γ معامل إلى معلمة تسمى معامل الإقامة الحرارية التي تعكس معامل الطاقة اقتران / تبادل عندما ضرب جزيئات الغاز على سطح المادة. γ يمكن حساب كما ξπ 2 Dρc P / (4 L 2) حيث ξ هو منحدر انتشارية الحرارية ضد الضغط. γ يختلف من عينة إلى عينة. هذا العامل توصيل الغاز يمكن أن تتأثر بقوة بواسطة بنية سطح المادة والتكوين المكاني في الغرفة خلال TET التوصيف. الخطوة 5)، وإجراء التجربة في الضغط المنخفض جدا (1-3 mTorr) سوف نتأكد من أن هذا التأثير معقدة توصيل الغاز لا يكاد يذكر.
ويمكن أيضا الابتعاثية السطحية (ε) من العينات التي تقاس هذه التقنية أن تحسب وايال قيمة معينة من الحرارة على أساس حجم معين (ρc ع)، والتي يمكن الحصول عليها من المعايرة، نونكونتاكت الضوئية الحرارية تقنية 13-15 أو قياس كثافة وحرارة محددة بشكل منفصل. بعد طرح تأثير التوصيل الطفيلية، انتشارية الحرارية (α الحقيقي + راد) هو مبين في الشكل (6) ليس لديها سوى تأثير الخسائر الإشعاعي، 
. فمن السهل أن نعرف أن: 
(13)
هنا T 0 هو درجة حرارة الغرفة، L قطر العينات واختبارها، وD القطر من عينة.
وهناك العديد من القيود المفروضة على تقنية TET. الأولى، وهي المرة مميزة Δt ج لالالنقل ermal في العينة، أي ما يعادل 0.2026 L 2/1 α، ينبغي أن يكون أكبر بكثير من الوقت الارتفاع (حوالي 2 μsec) من مصدر في الوقت الراهن. خلاف ذلك، وسوف تتأثر دقة تطور الجهد بشكل كبير. لذلك يتطلب أن العينة طول L لا ينبغي أن تكون صغيرة جدا أو انتشارية α الحرارية يجب أن لا كبير جدا. الثانية، فإن درجة حرارة العينة بنسبة حوالي 20-30 درجة في التجربة. ضمن هذا النطاق، يجب أن يكون المقاومة من العينة وجود علاقة خطية لدرجة الحرارة. هذا هو لأنه في جزء من الخلفية النظرية، فمن المعروف أن تغير الجهد المقاس يرتبط بطبيعته إلى التغير في درجة الحرارة من العينة. إذا لم يكن لدى المقاومة من العينة وجود علاقة خطية لدرجة الحرارة، ويمكن أن تطور الجهد لن يرشح نفسه لتطور درجات الحرارة. ثالثا، ينبغي أن يكون الجهد من العينة وجود علاقة خطية لالعاصمة الحالية تتغذى أثناء التجربة. وهذا يعني عند درجة حرارة معينة، فإن المقاومة لن تتغير عندما يتغير العاصمة الحالية. ومن المعروف جيدا أن أشباه الموصلات لم يكن لديك هذه الخاصية.
في الختام، هذه التقنية TET هو نهج فعالة جدا وقوية لقياس الخواص الحرارية من أنواع مختلفة من المواد. لنفس المواد، مجرد اختبار عينتين مع طول مختلفة في كل مرتين، كل الخصائص الحرارية هامة من المواد، مثل انتشارية الحراري، التوصيل الحراري، والابتعاثية السطحية (في حال عدم إعطاء ρc ع)، يمكن وصفها.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ومن المسلم به بامتنان دعم هذا العمل من مكتب البحوث البحرية (N000141210603) ومكتب أبحاث الجيش (W911NF1010381). ومن المسلم به أيضا دعم جزئي لهذا العمل من مؤسسة العلوم الوطنية (CBET-0931290، 0926704 CMMI-، وCBET-0932573).
Materials
| Digital Phosphor Oscilloscope | Tektronix | DPO 3052 | |
| Sputter Coater | Denton Vacuum | DESK V | |
| AC and DC Current Source | KEITHLEY | Model 6221 | |
| Laboratory Microscope | Olympus | BX41 | |
| Dual Stage Rotary Vane Vacuum Pump | Varian | DS102 | |
| Vacuum Chamber | Huntington Mechanical Laboratories | Customized Product | The pressure in the chamber should be as low as 1-3 mTorr when working with the vacuum pump |
| Colloidal Silver Liquid | Ted Pella | 16031 |
References
- Guo, J. Q., Wang, X. W., Wang, T. Thermal characterization of microscale conductive and nonconductive wires using transient electrothermal technique. J. Appl. Phys. 101, (2007).
- Lu, L., Yi, W., Zhang, D. L. 3 omega method for specific heat and thermal conductivity measurements. Rev. Sci. Instrum. 72, 2996-3003 (2001).
- Choi, T. Y., Poulikakos, D., Tharian, J., Sennhauser, U. Measurement of the thermal conductivity of individual carbon nanotubes by the four-point three-omega method. Nano Lett. 6, 1589-1593 (2006).
- Hou, J. B., et al. Thermal characterization of single-wall carbon nanotube bundles using the self-heating 3-omega technique. J. Appl. Phys. 100, (2006).
- Kim, P., Shi, L., Majumdar, A., McEuen, P. L. Thermal transport measurements of individual multiwalled nanotubes. Phys. Rev. Lett. 87, (2001).
- Kim, P., Shi, L., Majumdar, A., McEuen, P. L. Mesoscopic thermal transport and energy dissipation in carbon nanotubes. Physica B Condens. Matter. 323, 67-70 (2002).
- Shi, L., et al. Measuring thermal and thermoelectric properties of one-dimensional nanostructures using a microfabricated device. J. Heat Transfer. 125, 881-888 (2003).
- Li, D. Y., et al. Thermal conductivity of individual silicon nanowires. Appl. Phys. Lett. 83, 2934-2936 (2003).
- Shi, L., et al. Thermal conductivities of individual tin dioxide nanobelts. Appl. Phys. Lett. 84, 2638-2640 (2004).
- Feng, X. H., Wang, X. W. Thermophysical properties of free-standing micrometer-thick Poly (3-hexylthiophene) films. Thin Solid Films. 519, 5700-5705 (2011).
- Feng, X., Wang, X., Chen, X., Yue, Y. Thermo-physical properties of thin films composed of anatase TiO2 nanofibers. Acta Mater. 59, 1934-1944 (2011).
- Guo, J. Q., Wang, X. W., Zhang, L. J., Wang, T. Transient thermal characterization of micro/submicroscale polyacrylonitrile wires. Appl. Phys. A Mater. Sci. Process. 89, 153-156 (2007).
- Hu, H. P., Wang, X. W., Xu, X. F. Generalized theory of the photoacoustic effect in a multilayer material. J. Appl. Phys. 86, 3953-3958 (1999).
- Wang, X. W., Hu, H. P., Xu, X. F. Photo-acoustic measurement of thermal conductivity of thin films and bulk materials. J. Heat. Transfer. 123, 138-144 (2001).
- Wang, T., et al. Effect of zirconium(IV) propoxide concentration on the thermophysical properties of hybrid organic-inorganic films. J. Appl. Phys. 104, (2008).
