CAREER: Novel Debye Waller Thermometry of Oxide Interfaces for Reducing Thermal Interface Resistance

职业:用于降低热界面电阻的新型氧化物界面德拜沃勒测温法

基本信息

  • 批准号:
    1847964
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 62.5万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-04-01 至 2025-03-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

NON-TECHNICAL DESCRIPTION: To control thermal conduction in materials, it is critical to understand heat transport through various interfaces within the material. Interfaces often display thermal interface resistance (TIR), and for a broad range of electronic, photonic, and energy-harvesting materials, TIR can critically affect the materials' performance and stability. However, it is often very challenging to identify the exact origin of TIR, since it would require an exact understanding of 'what really happens' at the interface, including the exact structure of the interface and how the structure affects the thermal transport process. This project develops a novel technique that uses a small electron probe to directly measure the temperature at the interface with near atomic scale resolution and determine TIR with unprecedented precision. This new approach can deliver transformative impact to the thermal engineering of materials in many ways, by providing the new important understanding on how the atomic scale structure and defects at the interface affect TIR, verifying the existing theories and simulation results on how to reduce TIR, and providing new material design rules on how to control TIR by modifying the interface structure and composition. This project integrates the education and outreach activities for underrepresented students to provide them with opportunities to engage with researchers, motivate, and help them potentially pursue advanced degrees or careers in science and engineering. The project also includes the development of the interactive data analysis system that allows people with visual impairment to perceive and process scientific data using their auditory senses.TECHNICAL DETAILS: A new Debye-Waller thermometry under development is based on quantifying Debye-Waller factor, the attenuation of the scattered electron intensity due to thermal vibration, spatially resolved at the atomic scale, using high angle annular dark field signal in scanning transmission electron microscopy that is highly sensitive to thermal vibration. Using this new approach, the temperature profile at the interface at the atomic scale can be measured in situ, and TIR is directly determined from the profile with high precision, beyond the limits of any existing methods. This new experimental capability can validate the existing theories and hypotheses on how to reduce TIR, including the theories involving phonon matching, acoustic matching, epitaxial strain, and defect control. The validation is carried out using carefully designed perovskite oxide interfaces, which are synthesized using different structural parameters, such as the atomic mass, bond strength, strain, defect density, layer thickness, and interface roughness. The error analysis part of this work is assisted by the accommodation technology developed in this project, which allows people with disabilities to efficiently perceive, handle, and analyze the scientific data.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
非技术描述:为了控制材料的热传导,了解材料内部不同界面的热传递是至关重要的。界面经常显示热界面电阻(TIR),对于广泛的电子,光子和能量收集材料,TIR可以严重影响材料的性能和稳定性。然而,确定TIR的确切来源通常是非常具有挑战性的,因为它需要准确理解界面上“真正发生了什么”,包括界面的确切结构以及结构如何影响热传递过程。该项目开发了一种新技术,使用小型电子探针以接近原子尺度的分辨率直接测量界面温度,并以前所未有的精度确定TIR。这种新方法可以通过提供原子尺度结构和界面缺陷如何影响TIR的新重要认识,验证如何降低TIR的现有理论和模拟结果,并提供如何通过改变界面结构和组成来控制TIR的新材料设计规则,在许多方面对材料的热工程产生变革性影响。该项目整合了针对弱势学生的教育和推广活动,为他们提供与研究人员接触的机会,激励并帮助他们有可能追求科学和工程领域的高级学位或职业。该项目还包括开发交互式数据分析系统,使视障人士能够利用听觉感知和处理科学数据。技术细节:正在开发的一种新的德拜-沃勒测温法是基于量化德拜-沃勒因子,即由于热振动引起的散射电子强度的衰减,在原子尺度上进行空间分辨,在扫描透射电子显微镜中使用对热振动高度敏感的高角度环形暗场信号。使用这种新方法,可以在原子尺度上原位测量界面处的温度分布,并且可以直接从分布中确定TIR,具有高精度,超出了任何现有方法的限制。这种新的实验能力可以验证现有的关于如何降低TIR的理论和假设,包括声子匹配、声学匹配、外延应变和缺陷控制等理论。使用精心设计的钙钛矿氧化物界面进行验证,该界面使用不同的结构参数合成,如原子质量,键强度,应变,缺陷密度,层厚度和界面粗糙度。本项目开发的辅助技术辅助了本工作的误差分析部分,使残障人士能够高效地感知、处理和分析科学数据。该奖项反映了美国国家科学基金会的法定使命,并通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Atomic Scale Debye-Waller Thermometry
原子尺度德拜-沃勒测温法
  • DOI:
    10.1017/s1431927619008948
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.8
  • 作者:
    Zhu, Menglin;Johnson, Jared;Hwang, Jinwoo
  • 通讯作者:
    Hwang, Jinwoo
Scattering angle dependence of temperature susceptivity of electron scattering in scanning transmission electron microscopy
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  • DOI:
    10.1016/j.ultramic.2021.113419
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.2
  • 作者:
    Zhu, Menglin;Hwang, Jinwoo
  • 通讯作者:
    Hwang, Jinwoo
Nanoscale chemistry and ion segregation in zirconia-based ceramic at grain boundaries by atom probe tomography
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2022-02-17
  • 期刊:
  • 影响因子:
    6
  • 作者:
    Licata, Olivia G.;Zhu, Menglin;Mazumder, Baishakhi
  • 通讯作者:
    Mazumder, Baishakhi
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  • DOI:
    10.1017/s1431927622001374
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.8
  • 作者:
    Zhu, Menglin;Hwang, Jinwoo
  • 通讯作者:
    Hwang, Jinwoo
Quantification of Thermal Interface Resistance Using Atomic Scale Debye-Waller Thermometry
使用原子级德拜-沃勒测温法量化热界面电阻
  • DOI:
    10.1017/s1431927620016499
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.8
  • 作者:
    Zhu, Menglin;Hwang, Jinwoo
  • 通讯作者:
    Hwang, Jinwoo
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    2016
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  • 作者:
    J. Maldonis;Jinwoo Hwang;P. Voyles
  • 通讯作者:
    P. Voyles
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2015-07-24
  • 期刊:
  • 影响因子:
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  • 作者:
    Jack Y. Zhang;Jinwoo Hwang;Brandon J. Isaac;Susanne Stemmer
  • 通讯作者:
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