Новый взгляд на нано- и микро- масштабный теплоперенос в ионно-облученных материалах с помощью передовой лазерной техники
Новости: Результаты передовых лазерных измерений приповерхностной теплопроводности в облученных материалах опубликованы в журналах Journal of Applied Physics, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B и AIP Advances.
Участники: Ассоциированный профессор Жандос Утегулов, Постдокторанты кафедры физики ШЕГСН НУ Азат Абдуллаев и Айнур Кошкинбаева совместно с коллегами США, России и ЮАР.
Контроль теплопереноса в твердотельных материалах на нано- и микро- метровых масштабах имеет важное значение для их дальнейшей адаптации к различным приложениям управления потоками тепла, начиная от ядерных и термоядерных реакторов и заканчивая термоэлектриками, наноэлектроникой, электрохимическими накопителями и биомедицинскими технологиями. Один из способов настроить свойства теплопереноса на небольшой пространственной глубине – бомбардировка материала заряженными частицами высокой энергии ускорителя. Несмотря на то, что данный метод в целом способствует повреждению материалов, облучение быстрыми тяжелыми ионами (БТИ) формирует высокоориентированные латентные треки, контролирующие теплопроводность материалов в их приповерхностной области.
В радиационном материаловедении БТИ представляют собой особую форму излучения частиц, для которой электронное торможение преобладает над ядерным на малых глубинах проникновения ионов. Однако практически неизвестно каким образом повреждения, возникающие в результате неупругого электронного торможения энергичных ионов, влияют на распространение тепла в облученных материалах. В отличие от облучения ионами с низкой энергией, где электронные и ядерные режимы торможения пространственно перекрываются, в изоляторах, облученных БТИ, эти два режима пространственно разделены с приповерхностными структурным повреждением, проявляющимся на нанометровом масштабе.
Чтобы изучить влияние БТИ на перенос тепла решеточными фононами, являющимися основными переносчиками тепла в диэлектрических материалах, ассоциированный профессор Жандос Утегулов совместно с постдокторантами кафедры физики ШЕГСН НУ Азатом Абдуллаевым и Айнур Кошкинбаевой провели измерения с нано- и микрометровым разрешением с использованием передового бесконтактного фемтосекундного импульсного лазерного метода накачки-зондирования, называемого термоотражением во временной области (ТОВО) и модулированным термоотражением (МТО) непрерывного лазерного излучения, соответственно.
Были выявлены две пространственно-разделенные области деградации теплопроводности в сапфире, облученном БТИ, и получили новые результаты по поведению теплопереноса в ионных щелочно-галогенидных кристаллах, облученных БТИ.
Благодаря уникальным возможностям измерительных бесконтактых и неразрушающих методик ТОВО и МТО, авторы продемонстрировали измерения переноса тепла на глубинах от сотен нанометров до микрометров облученных ионами материалов, подтвержденные структурным анализом с использованием оптической спектроскопии и электронной микроскопии высокого разрешения. Было обнаружено, что в образцах монокристаллического сапфира БТИ образуют высокоориентированные ионные треки, модифицирующие его теплопроводность как в продольном, так и в поперечном направлениях, тогда как в монокристалле фторида лития основной вклад в рассеяние фононов вносят ионно-индуцированные точечные дефекты. Эксперименты с сапфиром выявили две области с четко выраженными приведенными значениями теплопроводности, согласующимися с моделью теплопереноса, основанной на приближении Дебая. Один из них – это область ионного трека толщиной в несколько микрометров. Другой – это приповерхностный аморфный слой, который формируется только при облучении высокой дозой и имеет толщину всего несколько десятков нанометров.
Проведенные исследования внесли существенный вклад в устранении пробела в знаниях о влиянии облучения БТИ на перенос тепла в твердых диэлектриках. Данная работа важна для дальнейших исследований в области радиационного материаловедения, где теплоперенос, электронные, оптические, магнитные и электрохимические свойства изоляционных и полупроводниковых материалов могут быть прецезионно адаптированы посредством ионного облучения к требованиям конкретных промышленных приложений.
