Advanced

Heat transport in nano materials subject to high intensity nano focused X-rays

Wallander, Harald LU (2016) FYSK02 20161
Department of Physics
Synchrotron Radiation Research
Abstract
The thesis aims to investigate the amount and distribution of heat in nano materials irradiated by highly focused X-ray beams, like those that will be produced by MAX IV. The beam used in the study had a flux of 10e11 photons per second and a diameter of 100 nm. The materials studied were a 2 µm long and 100 nm wide Indium phosphide (InP) nanowire on a Silicon nitride (Si3N4) substrate, a similar 3 µm long nanowire with gold contacts and a gold drop on a silicon substrate.
COMSOL, utilising the Finite element method (FEM), was used to calculate the
temperatures. The temperatures of the sample varied between 20 C and 25 C
in most cases, except for high photon fluxes when it reached 90 C. The room
temperature was set to 20 C. The... (More)
The thesis aims to investigate the amount and distribution of heat in nano materials irradiated by highly focused X-ray beams, like those that will be produced by MAX IV. The beam used in the study had a flux of 10e11 photons per second and a diameter of 100 nm. The materials studied were a 2 µm long and 100 nm wide Indium phosphide (InP) nanowire on a Silicon nitride (Si3N4) substrate, a similar 3 µm long nanowire with gold contacts and a gold drop on a silicon substrate.
COMSOL, utilising the Finite element method (FEM), was used to calculate the
temperatures. The temperatures of the sample varied between 20 C and 25 C
in most cases, except for high photon fluxes when it reached 90 C. The room
temperature was set to 20 C. The materials reached steady state in the order of a few to a few tens of nanoseconds. The conductance of heat between the sample and the substrate was found to be the most significant factor affecting the maximum temperature reached by the sample. Radiative heat loss does not seem to be significant for the conditions studied. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Vill man kunna se materialens minsta strukturer gäller det att man har de rätta verktygen. Röntgenstrålning är ett utmärkt verktyg för att urskilja små detaljer inuti material. Strålningen tränger djupt in (vilket du kanske själv erfarit om du röntgats på sjukhuset) och de har en kort våglängd, en nödvändighet för att urskilja små detaljer. Detta arbete har undersökt hur olika material, särskilt nanotrådar, värms upp när de utsätts för starkt fokuserad röntgenstrålning.

Röntgenstrålningen som används i dagens experiment kommer till största delen från synkrotronljusanläggningar, så som MAX-laboratorierna i Lund. Den senaste reinkarnationen av MAX-labb projektet, MAX IV, kommer att producera röntgenstrålning som både är ljusare och mer... (More)
Vill man kunna se materialens minsta strukturer gäller det att man har de rätta verktygen. Röntgenstrålning är ett utmärkt verktyg för att urskilja små detaljer inuti material. Strålningen tränger djupt in (vilket du kanske själv erfarit om du röntgats på sjukhuset) och de har en kort våglängd, en nödvändighet för att urskilja små detaljer. Detta arbete har undersökt hur olika material, särskilt nanotrådar, värms upp när de utsätts för starkt fokuserad röntgenstrålning.

Röntgenstrålningen som används i dagens experiment kommer till största delen från synkrotronljusanläggningar, så som MAX-laboratorierna i Lund. Den senaste reinkarnationen av MAX-labb projektet, MAX IV, kommer att producera röntgenstrålning som både är ljusare och mer fokuserad än vad tidigare generationers synkrotroner har lyckats med. Det är när en sådan stråle fokuseras ner till en så liten punkt (100 nanometer, eller en tiomiljondels meter i diameter) som det blir intressant att undersöka hur energin från strålen absorberas och sprids i materialet.

Tidigare har experiment gjorts där starkt fokuserade röntgenstrålar belyst nanomaterial, det fall som ligger närmast detta arbete är ett försök där en nanotråd använts som en detektor för röntgenstrålning. Nanotråden som används är bara några mikrometer lång, vilket skulle göra det möjligt att använda dem som pixlar i en väldigt högupplöst röntgenkamera.

Nanotrådar är en struktur som kan användas till väldigt mycket. Exempel är solceller, där man lyckats uppnå 13,8% effektivitet med deras hjälp, och förbättrade batterianoder. Att de kan användas både för att producera och lagra energi är mycket lovande; dessa är de två största utmaningarna för en övergång till förnyelsebara energikällor.

De teknologiska användningsområdena för dessa material är många, särskilt inom elektronikindustrin. I ett försök föreslås det att nanotrådar skulle kunna användas både för att tillverka ljusdioderna i en telefonskärm och transistorerna som styr dioderna. Enligt författarna skulle då både effektiviteten förbättras och kostnaderna sjunka. Ett framsteg vi alla haft glädje av om det blev verklighet.

Det är till stor del för att förstå dessa användbara material bättre som vi bygger stora laboratorier för att kunna undersöka dom i detalj. Förhoppningsvis kan detta kandidatarbete hjälpa oss att göra detta på ett korrekt sätt. För när vi kan se in i de byggmaterial som nanomaterialen är kan vi se in i framtidens teknik. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Wallander, Harald LU
supervisor
organization
course
FYSK02 20161
year
type
M2 - Bachelor Degree
subject
keywords
x-rays, nanowire, nanomaterial, InP, synchrotron, nanomax, nanofocus, heat transport, COMSOL, heating
language
English
id
8884408
date added to LUP
2016-07-15 18:08:20
date last changed
2016-07-15 18:08:20
@misc{8884408,
  abstract     = {The thesis aims to investigate the amount and distribution of heat in nano materials irradiated by highly focused X-ray beams, like those that will be produced by MAX IV. The beam used in the study had a flux of 10e11 photons per second and a diameter of 100 nm. The materials studied were a 2 µm long and 100 nm wide Indium phosphide (InP) nanowire on a Silicon nitride (Si3N4) substrate, a similar 3 µm long nanowire with gold contacts and a gold drop on a silicon substrate.
COMSOL, utilising the Finite element method (FEM), was used to calculate the
temperatures. The temperatures of the sample varied between 20 C and 25 C
in most cases, except for high photon fluxes when it reached 90 C. The room
temperature was set to 20 C. The materials reached steady state in the order of a few to a few tens of nanoseconds. The conductance of heat between the sample and the substrate was found to be the most significant factor affecting the maximum temperature reached by the sample. Radiative heat loss does not seem to be significant for the conditions studied.},
  author       = {Wallander, Harald},
  keyword      = {x-rays,nanowire,nanomaterial,InP,synchrotron,nanomax,nanofocus,heat transport,COMSOL,heating},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Heat transport in nano materials subject to high intensity nano focused X-rays},
  year         = {2016},
}