Kính hiển vi tự động theo dõi dòng nhiệt định hướng trong vật liệu nhiệt điện để tạo ra năng lượng xanh
của Đại học Kỹ thuật Đan Mạch
Bản đồ diện tích khuếch tán nhiệt độ phân giải cao của Bi2Te3. Minh họa kết quả sử dụng thiết lập M4PP để lập bản đồ khuếch tán nhiệt của các hạt Bi2Te3 theo các hướng khác nhau. (A) Độ khuếch tán nhiệt được đo bằng M4PP theo hướng quét X và (B) độ khuếch tán nhiệt được đo bằng M4PP theo hướng quét Y. Các giá trị độ khuếch tán nhiệt thu được theo hai hướng quét khác nhau được mã hóa trong mã màu ở bên phải. Giới hạn trên của thanh màu tương ứng với ngưỡng cắt ở 1,8 mm2/giây. (C) Hình ảnh EBSD của các hạt, theo ký hiệu bản đồ IPF và mũi tên hướng dẫn mắt chỉ ra pháp tuyến [001] của cấu trúc tinh thể. (D) là hình ảnh quang học của các hạt Bi2Te3. Tín dụng: Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.ads6538
Các nhà khoa học đã phát triển một kính hiển vi mới giúp cải thiện đáng kể cách đo lưu lượng nhiệt trong vật liệu. Sự tiến bộ này có thể dẫn đến những thiết kế tốt hơn cho các thiết bị điện tử và hệ thống năng lượng.
Đo nhiệt độ di chuyển qua vật liệu là rất quan trọng để phát triển các thiết bị điện tử và năng lượng hiệu quả. Ví dụ, quản lý nhiệt tốt hơn có thể dẫn đến máy tính nhanh hơn và đáng tin cậy hơn, cũng như các tấm pin mặt trời và pin hiệu quả hơn.
"Việc tìm ra vật liệu phù hợp cho thiết bị điện tử là rất quan trọng trong việc phát triển các thiết bị chúng ta cần để hỗ trợ quá trình chuyển đổi xanh. Ví dụ, khi biến nhiệt thành điện—hoặc ngược lại—chúng ta cần những vật liệu mất rất ít nhiệt nhưng đồng thời cũng là chất dẫn điện tuyệt vời", Nini Pryds, giáo sư tại DTU Energy cho biết.
"Để đạt được mục đích đó, chúng tôi muốn tìm hiểu nhiệt được phân tán như thế nào trong các vật liệu chúng ta sử dụng. Bằng cách quan sát điều này, chúng tôi có thể xác định nhiệt độ di chuyển theo các hướng khác nhau trong vật liệu như thế nào, điều này rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến hiệu suất của chúng".
Bí quyết là tìm ra những vật liệu hoạt động đáng tin cậy ở thang đo nanomet. Ở quy mô này, những thay đổi nhỏ trong cách dẫn nhiệt có thể đóng vai trò trung tâm đối với hiệu suất tổng thể của vật liệu. Ví dụ, nhiệt có thể được truyền theo các hướng khác nhau tùy thuộc vào sự sắp xếp nhất định của các tinh thể, kích thước hoặc hình dạng hạt, ảnh hưởng đến khả năng chuyển nhiệt thành điện của vật liệu—tính chất nhiệt điện của nó—và có thể dẫn đến thiết bị kém hiệu quả hơn.
Có nhiều cách để nghiên cứu quá trình truyền nhiệt, nhưng các phương pháp này thường chậm, đòi hỏi phải thiết lập phức tạp hoặc có nguy cơ làm hỏng vật liệu đang được nghiên cứu. Điều này khiến các nhà nghiên cứu khó có được dữ liệu chính xác và đáng tin cậy để đánh giá hiệu suất của chúng.
Cần có kính hiển vi
Trong một bài báo gần đây được công bố trên Science Advances, một nhóm các nhà nghiên cứu từ DTU, Technion và Đại học Antwerp đã giới thiệu một phương pháp kính hiển vi mới giải quyết các vấn đề này: kính hiển vi khuếch tán nhiệt. Phương pháp mới này dựa trên nền tảng đo lường hoàn toàn tự động, CAPRES microRSP. Không giống như các phương pháp hiện có, phương pháp này không yêu cầu bất kỳ sự chuẩn bị đặc biệt nào đối với mẫu.
Kính hiển vi mới có thể thực hiện các phép đo có độ phân giải cao ở quy mô rất nhỏ. Các nhà khoa học đã tiến hành thử nghiệm của họ trên hai vật liệu được biết đến với đặc tính dẫn nhiệt và dẫn điện tuyệt vời: Bi2Te3 (bitmut telluride) và Sb2Te3 (antimon telluride), thường được sử dụng trong các thiết bị nhiệt điện chuyển đổi nhiệt thành điện.
Kính hiển vi đã đo chính xác luồng nhiệt theo hướng trong các vật liệu này. Nói cách khác, nó có thể phát hiện nhiệt di chuyển khác nhau theo các hướng khác nhau, cung cấp thông tin chi tiết có giá trị để thiết kế các thiết bị hiệu quả hơn. Những phát hiện đã được xác nhận bằng cách so sánh phương pháp mới với các kỹ thuật đã được thiết lập khác, cho thấy kính hiển vi vừa đáng tin cậy vừa hiệu quả.
"Tôi tin rằng phương pháp kính hiển vi mới của chúng tôi là một bước tiến đáng kể trong lĩnh vực khoa học vật liệu. Chúng tôi đã phát triển một phương pháp nhanh chóng, đơn giản và không gây hại để đo luồng nhiệt giúp chúng tôi hiểu rõ hơn về cách các vật liệu này hoạt động", Pryds nói.
Thông tin thêm: Neetu Lamba et al, Kính hiển vi khuếch tán nhiệt: Phóng to quá trình truyền nhiệt dị hướng, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.ads6538
Thông tin tạp chí: Science Advances
Do Đại học Kỹ thuật Đan Mạch cung cấp
