Contactless Frequency-domain Thermoreflectance (FDTR) Approaches to Study Thermal Anisotropic Materials
L'avanç d'estratègies per a controlar el transport de calor és la clau per a desenvolupar noves rutes de captació d'energia tèrmica, mentre que el desenvolupament de solucions tèrmiques intel·ligents de propera generació depèn en gran mesura de la nostra comprensió dels fonaments del...
| Autor: | |
|---|---|
| Formato: | tesis doctoral |
| Fecha de publicación: | 2023 |
| País: | España |
| Recursos: | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Repositorio: | Dipòsit Digital de Documents de la UAB |
| Idioma: | inglés |
| OAI Identifier: | oai:ddd.uab.cat:293045 |
| Acesso em linha: | https://ddd.uab.cat/record/293045 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palavra-chave: | Anisotropia tèrmica Thermal anisotropy Anisotropía térmica Ciències Experimentals |
| Resumo: | L'avanç d'estratègies per a controlar el transport de calor és la clau per a desenvolupar noves rutes de captació d'energia tèrmica, mentre que el desenvolupament de solucions tèrmiques intel·ligents de propera generació depèn en gran mesura de la nostra comprensió dels fonaments del transport de calor a escales espacials petites i temporals curtes. En particular, l'anisotropia tèrmica ha atret recentment una atenció renovada a causa del desenvolupament de, per exemple, materials de baixa dimensionalitat que presenten anisotropia artificial derivada d'aspectes geomètrics. Amb la finalitat d'investigar exhaustivament les propietats de transport de calor dels materials a través d'escales i dimensions diverses, una àmplia gamma de mètodes estacionaris i transitoris per a determinar la conductivitat tèrmica i la difusivitat tèrmica ha sorgit en les últimes dècades. Entre ells, les termoreflectàncies sense contacte en el domini temporal i freqüencial (TDTR i FDTR) han demostrat la seva fiabilitat i versatilitat per a estudiar la conductivitat (difusivitat) tèrmica de materials en volum i en pel·lícula prima. No obstant això, aquests mètodes ja ben establerts no són intrínsecament sensibles a l'anisotropia tèrmica a causa de la simetria de la font de calor (típicament gaussiana). Per a resoldre aquest problema simplement s'introdueix un desplaçament espacial entre l'escalfador (excitació) i el termòmetre (anàlisi), augmentant així de manera natural la sensibilitat al transport de calor en el pla. No obstant això, l'esquema de desplaçament del feix basat en focus gaussians puntuals també presenta inconvenients, especialment la complicació en l'anàlisi de les dades. En aquesta tesi, s'han desenvolupat dos enfocaments metodològics experimentals avançats sense contacte per a estudiar el transport tèrmic en materials, centrats en l'anisotropia tèrmica i el transport tèrmic en el pla. Aquests mètodes es denominen "Termometria de termoreflectància anisotròpica" (ATT) i "Determinació de la difusivitat tèrmica en el pla utilitzant termoreflectància en domini freqüencial amb desplaçament de feix i font de calor òptica unidimensional". Aquests mètodes utilitzen una font de calor unidimensional, en lloc de fonts de calor gaussianes en forma de punt, proporcionant tres avantatges fonamentals: (i) a causa de la seva naturalesa òptica, és possible girar arbitràriament l'orientació de l'escalfador en forma de línia respecte als eixos cristal·logràfics en el pla de la mostra; (ii) és altament sensible a l'anisotropia tèrmica en el pla, que es veu reforçada si s'estableix un desplaçament espacial entre les posicions d'excitació i anàlisi; i (iii) la distribució unidimensional d'energia dins de la font de calor produeix un decaïment espacial més lent del camp tèrmic, permetent analitzar les dades obtingudes sense que calgui conèixer la distribució espacial d'energia de la font de calor. S'han validat amb èxit aquests mètodes mitjançant l'estudi de diversos materials ben caracteritzats, tant en volum com en pel·lícula prima, cadascun amb una difusivitat tèrmica significativament diferent, com el grafit pirolític altament orientat (HOPG), membranes suspeses de polímer i silici de diferents gruixos, així com substrats de bismut, silici i vidre en volum. També s'han aplicat amb èxit les tècniques esmentades per a investigar les propietats de transport tèrmic de diversos materials, com ara polimorfs de Ga2O3, PdSe2, semiconductors wurtzita (ZnO, ZnS, AlN i GaN) i multicapes de grafè sobre quars. L'aplicació amb èxit d'aquestes tècniques a cristalls amb diferents graus d'anisotropia, flocs de grandària micromètrica i fins i tot pel·lícules de gruix atòmic sobre substrats, posa de manifest la versatilitat i aplicabilitat dels mètodes. La possibilitat d'estudiar materials tan diversos en diferents dimensions proporciona valuosos coneixements sobre les seves propietats de transport tèrmic i obre noves vies de recerca. |
|---|