Estudo microscópico local dos efeitos magneto, eletro e elastocalóricos

Determining and acting on thermo-physical properties at the nanoscale is essential for understanding/managing heat distribution in micro/nanostructured materials and miniaturized devices. Adequate thermal nano-characterization techniques are required to control device thermal behavior and address thermal issues deterrent to their desired performance. In this context, Scanning Thermal Microscopy (SThM) is a high spatial resolution probing and acting technique based on Atomic Force Microscopy (AFM) using a nano-probe as thermometer and resistive heater. Enabling direct observation and mapping of thermal properties, it is becoming a powerful tool in several fields, from material science to device thermal management. The mechanisms driving heat transfer at the nano/microscopic-scale are essential for device development and optimization, particularly when using first-order phase transition materials exhibiting coupled structural and ferrocaloric effects, as Ni-Mn-Ga, BaTiO3 and Ni-Ti (magnetocaloric, electrocaloric, elastocaloric), researched for multifunctional actuating, sensing and solid-state heat-management technologies (cooling) applications. This work aims to raise the understanding of the interplay of these effects by local probing of thermal properties, combined with magnetic, structural, and electric studies: - local thermomagnetic, thermoelectric and thermoelastic phenomena by scanning thermal microscopy (SThM) and microscopic-infrared-thermography - local actuation by heating performed by SThM-tip to evaluate thermal conductivity, phase change contrast and map sample dynamic inhomogeneities. - time-dependence of local thermal phenomena correlated with thermal diffusion processes across phase transformations for Ni-Mn-Ga, BaTiO3 and Ni-Ti. - local probing of “thermal return-point-memory” and avalanche effects on Ni-Mn- Ga films produced by temperature cycling. One of our most significant results consisted in finding that locally inducing the structural transformation in Ni-Mn-Ga thin films results in much wider martensitic transformation temperatures (TM) intervals than for overall structural transformation inducing, within a same micrometric area of the material. We also observed large differences in the behavior of the magnetocaloric effect in bulk Co-doped Ni-Mn-Ga on heating and cooling, at the microscopic scale, in the vicinity of the structural transformation. Mapping of the contribution of each microscopic area of the sample to the effect was achieved.Determinar e atuar nas propriedades termofísicas à nanoescala é essencial para compreender/gerir a distribuição térmica de calor em materiais e dispositivos miniaturizados. Técnicas de nanocaracterização térmica são necessárias para analisar e controlar o comportamento térmico de dispositivos, evitando prejuízos à performance desejada. Neste contexto, a microscopia de varrimento térmico (SThM) é uma técnica de sondagem e atuação de elevada resolução espacial baseada na microscopia de força atómica (AFM), utilizando uma nano-sonda como termómetro e elemento resistivo de aquecimento. Permitindo a observação direta e o mapeamento de propriedades térmicas, esta é uma ferramenta poderosa em várias áreas, desde a ciência de materiais até à gestão térmica em dispositivos. Os mecanismos responsáveis pela transferência de calor à nano/microescala são essenciais para desenvolver e otimizar dispositivos, particularmente aquando da utilização de materiais que sofrem transições de fase de primeira ordem, que exibem efeitos ferrocalóricos (magnetocalórico, eletrocalórico e elastocalórico) e estruturais acoplados, tais como o Ni-Mn-Ga, o BaTiO3 e o Ni-Ti, investigados para aplicações de atuação, deteção e tecnologias de gestão térmica em estado sólido (arrefecimento). Este trabalho pretende aumentar a compreensão da interação destes efeitos através da sondagem local das propriedades térmicas, combinada com estudos magnéticos, eletricos e estruturais: - fenómenos termomagnéticos, termoeletricos e termoelasticos locais por microscópio de varrimento térmico (SThM) e termografia de infravermelhos. - atuação local por aquecimento levada a cabo pela sonda SThM para avaliar condutividade térmica, contraste de mudança de fase e mapeamento de inomogeneidades dinâmicas de amostras. - dependência temporal de fenómenos térmicos locais correlacionados com processos de difusão térmica através de transformações de fase para o Ni-Mn- Ga, o BaTiO3 e o Ni-Ti. - sondagem local de “memória de ponto de retorno térmica” e efeitos de avalanche em filmes de Ni-Mn-Ga provocados por ciclagens térmicas. Um dos resultados mais significativos consistiu na constatação de que a indução local da transformação estrutural em filmes finos de Ni-Mn-Ga resulta em intervalos muito mais alargados de temperaturas de transformação martensítica do que no caso de indução global da transformação estrutural, numa mesma área microscópica do material. Observámos ainda grandes diferenças no comportamento do efeito magnetocalórico no Ni-Mn-Ga dopado com Co, em aquecimento e arrefecimento, à escala microscópica, na vizinhança da transformação estrutural. Foi realizado com sucesso o mapeamento da contribuição para o efeito de cada área microscópica da amostra.Programa Doutoral em Engenharia Físic