Des chercheurs exploitent la puissance d’une nouvelle technologie thermique à l’état solide

par Karen Walker, École d’ingénierie et de sciences appliquées de l’Université de Virginie

Des chercheurs exploitent la puissance d'une nouvelle technologie thermique à l'état solide

Transformations de phase structurelles dans PZO lors de stimuli électriques et thermiques. a) Carte spatiale réciproque des réflexions PbZrO3 440/280O et DyScO3 332O démontrant la croissance épitaxiale et la présence de domaines ferroélastiques dans le film épitaxial. b) Réponse polarisation-hystérésis du champ électrique pour le film épitaxial de PbZrO3 montrant une commutation antiferroélectrique. c) diagramme XRD 2θ-ω pour le film polycristallin de PbZrO3. d) Micrographie électronique rétrodiffusée à contraste de canalisation du film polycristallin de PbZrO3. Les flèches indiquent les emplacements des domaines ferroélastiques clairement résolus. e) Diagramme de phase du titanate de zirconate de plomb (PbZr1−xTixO3, PZT) recréé à partir de la réf. 27. f) Schéma de l’orientation dipolaire à travers les transitions de phase antiferroélectrique à ferroélectrique (AFE à FE) et antiferroélectrique à paraélectrique (AFE à PE). Crédit : Kiumars Aryana et al, Communication Nature (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-29023-y

Des chercheurs de l’École d’ingénierie et de sciences appliquées de l’Université de Virginie ont découvert un moyen de fabriquer un conducteur thermique polyvalent, avec la promesse de dispositifs électroniques plus économes en énergie, de bâtiments écologiques et d’exploration spatiale.

Ils ont démontré qu’un matériau connu utilisé dans les équipements électroniques peut désormais également être utilisé comme régulateur thermique, lorsqu’il est sous une forme très pure. Cette nouvelle classe de matériaux donne aux ingénieurs la possibilité de faire augmenter ou diminuer la conductivité thermique à la demande, en transformant un isolant thermique en conducteur et vice versa.

L’équipe a publié ses conclusions plus tôt ce printemps dans Communication Nature. L’article est intitulé “Observation de la commutation de conductivité thermique bidirectionnelle à l’état solide dans le zirconate de plomb antiferroélectrique”.

Le contrôle bidirectionnel ou “réglage” des matériaux conducteurs thermiques sera particulièrement utile dans l’électronique et les appareils qui doivent fonctionner à des températures extrêmes ou résister à des fluctuations de température extrêmes. L’espace est l’un des scénarios où les appareils doivent fonctionner dans des conditions aussi difficiles.

“Les fluctuations de température dans l’espace peuvent être assez intenses”, a déclaré Kiumars Aryana, qui a obtenu son doctorat. en génie mécanique et aérospatial à l’UVA ce printemps et est le premier auteur du Communication Nature papier. “Ce type de technologie de transport thermique pourrait être un énorme avantage alors que nous construisons des véhicules et des appareils pour l’exploration spatiale.”

“Le rover martien est un excellent exemple”, a déclaré Aryana. Les températures au sol sur les sites d’atterrissage des rovers peuvent atteindre 70 degrés Fahrenheit pendant la journée et moins 146 degrés la nuit. Pour maintenir les appareils électroniques en bon état de fonctionnement malgré ces fortes variations de température, le rover s’appuie sur un boîtier isolant et des radiateurs pour empêcher les composants de geler et des radiateurs pour les empêcher de brûler.

“Ce nouveau mode de gestion de la chaleur est nettement moins complexe et signifie que la régulation de la chaleur est plus facile à gérer et plus rapide. Lorsqu’un radiateur ou une isolation prend beaucoup de temps pour démarrer le chauffage ou le refroidissement, le mécanisme à semi-conducteurs serait presque instantané. Pouvoir suivre les changements rapides de température rend également les choses plus sûres. Parce que le chauffage et le refroidissement peuvent suivre, les risques que la chaleur ou le froid provoquent des dysfonctionnements – ou pire – sont réduits “, a déclaré Aryana.

Pendant ce temps, ici sur Terre, les utilisations prometteuses incluent la gestion du chauffage et du refroidissement à grande échelle, comme les bâtiments, et à petite échelle, comme les circuits imprimés pour l’électronique. Moins d’énergie équivaut à une technologie plus verte et à des coûts réduits.

Cette avancée s’inscrit dans la continuité d’une collaboration de longue date entre Jon Ihlefeld, professeur agrégé d’UVA Engineering en science et ingénierie des matériaux et en génie électrique et informatique, et Patrick E. Hopkins, professeur d’ingénierie Whitney Stone et professeur d’ingénierie mécanique et aérospatiale et conseiller d’Aryana.

L’équipe Ihlefeld-Hopkins a été la pionnière de la conductivité thermique réglable dans les matériaux cristallins au cours d’une décennie, d’abord aux Sandia National Laboratories et maintenant à l’UVA.

L’accordabilité est unique à une classe de matériaux fonctionnels appelés ferroélectriques, une spécialité du groupe de recherche multifonctionnel sur les couches minces d’Ihlefeld.

“Un matériau ferroélectrique est comme un aimant, sauf qu’au lieu d’un pôle nord et sud, vous avez une charge positive et négative”, a déclaré Ihlefeld. Un champ électrique, ou une tension, lorsqu’il est appliqué à un matériau ferroélectrique, “bascule” la polarité de la surface du matériau vers son état opposé, où il reste jusqu’à ce qu’une tension opposée soit appliquée.

“Habituellement, la conductivité thermique est considérée comme une propriété matérielle statique”, a déclaré Hopkins. “Si vous souhaitez transformer un conducteur thermique en isolant, vous devez modifier définitivement sa structure ou l’intégrer à un nouveau matériau.”

Les recherches antérieures d’Ihlefeld et de Hopkins ont démontré comment réduire la conductivité thermique avec un champ électrique et comment intégrer le matériau dans un appareil pour augmenter la conductivité thermique, mais ils ne pouvaient pas faire en sorte que le même matériau fasse les deux.

Pour ce projet, l’équipe a utilisé un matériau antiferroélectrique dans lequel la chaleur et la tension entrent en jeu.

“Ce que fait ce matériau intéressant, en plus d’être un cristal de haute qualité qui a des tendances de conductivité thermique comme un verre amorphe, en plus d’être à l’état solide, c’est qu’il nous donne deux boutons uniques pour modifier la conductivité thermique”, a déclaré Hopkins. “Nous pouvons rapidement chauffer le cristal avec un laser ou appliquer une tension pour régler activement la conductivité thermique et le transport de la chaleur.”

“Nous avons essayé d’utiliser un échantillon commercial de zirconate de plomb pour tester la conductivité thermique bidirectionnelle, mais cela n’a pas fonctionné”, a déclaré Aryana. Lane Martin, professeur chancelier de science et d’ingénierie des matériaux et directeur de département à l’Université de Californie à Berkeley, a fourni un échantillon extrêmement pur de zirconate de plomb. “En utilisant l’échantillon de Lane, nous avons obtenu un changement bidirectionnel de 38 % de la conductivité thermique en une seule rafale, ce qui est un énorme bond en avant”, a déclaré Aryana.

Les structures de matériaux antiferroélectriques sont bidirectionnelles par nature. Dans la plus petite unité de répétition du réseau cristallin, une moitié a une polarité pointant vers le haut et l’autre moitié vers le bas, de sorte que les charges positives et négatives s’annulent. Lorsqu’il est chauffé, la structure cristalline change et l’antiferroélectricité disparaît, augmentant la conductivité thermique. L’application d’un champ électrique fait le contraire : le matériau se transforme en ferroélectrique et la conductivité thermique diminue. La polarité nette revient à zéro lorsque la tension est supprimée.

L’inversion de polarité et la disposition des atomes dans le cristal qui supporte la structure antiferroélectrique conduisent à des événements de diffusion thermique observables et mesurables – quelque chose comme une signature thermique – ce qui signifie que l’énergie se diffuse à travers le matériau d’une manière qui peut être prédite et contrôlée.

Les membres des expériences et simulations de Hopkins dans le groupe de recherche en génie thermique ont fait de nombreuses avancées dans la mesure laser des matériaux. La Communication Nature L’article présente une innovation dans les expériences basées sur la thermométrie optique dans lesquelles les étudiants ont utilisé un troisième laser pour provoquer un événement de chauffage rapide afin de moduler le film antiferroélectrique à travers la transition de la structure antiferroélectrique à la structure paraélectrique, lui donnant la capacité de se polariser sous une application électrique. champ.

Pour avoir un impact sur les technologies, les ingénieurs auront besoin d’un interrupteur “marche-arrêt” plus grand pour déplacer ou stocker rapidement un pourcentage beaucoup plus important de chaleur. Les prochaines étapes pour l’équipe de recherche consistent à mieux définir les limites du matériau, afin de pouvoir concevoir un nouveau matériau avec des rapports de commutation plus élevés, accélérant l’utilisation de matériaux à conductivité thermique activement réglables.


Contrôler le flux de chaleur dans un solide en changeant la dimensionnalité de la structure cristalline


Plus d’information:
Kiumars Aryana et al, Observation de la commutation de conductivité thermique bidirectionnelle à l’état solide dans le zirconate de plomb antiferroélectrique (PbZrO3), Communication Nature (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-29023-y

Fourni par l’École d’ingénierie et de sciences appliquées de l’Université de Virginie

Citation: Des chercheurs exploitent la puissance d’une nouvelle technologie thermique à l’état solide (21 juin 2022) récupéré le 21 juin 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-06-harness-power-solid-state-thermal-technology. html

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