Baie spelers regoor die wêreld wat die Xbox 360-era beleef het, is baie bekend met die situasie toe hul konsole in 'n braaipan verander het waarop hulle eiers kon braai. 'n Soortgelyke hartseer situasie kom nie net voor met spelkonsoles nie, maar ook met fone, skootrekenaars, tablette en nog baie meer. In beginsel kan byna enige elektroniese toestel termiese skok ervaar, wat nie net kan lei tot sy mislukking en ontsteltenis van sy eienaar nie, maar ook tot die "slegte boom" van die battery en ernstige besering. Vandag sal ons kennis maak met 'n studie waarin wetenskaplikes van Stanford Universiteit, soos Nick Fury van die strokiesprente, 'n skild geskep het wat hittesensitiewe elektroniese dele teen oorverhitting beskerm en as gevolg daarvan voorkom dat hulle afbreek. Hoe het wetenskaplikes daarin geslaag om 'n termiese skild te skep, wat is die hoofkomponente daarvan en hoe doeltreffend is dit? Ons leer hieroor en meer uit die verslag van die navorsingsgroep. Gaan.
Navorsingsbasis
Die probleem van oorverhitting is al baie lank bekend, en wetenskaplikes los dit op verskeie maniere op. Van die gewildste is die gebruik van glas, plastiek en selfs luglae, wat dien as 'n soort isoleerders van termiese bestraling. In moderne realiteite kan hierdie metode verbeter word deur die dikte van die beskermende laag tot verskeie atome te verminder sonder om sy termiese isolasie-eienskappe te verloor. Dit is presies wat die navorsers gedoen het.
Ons praat natuurlik van nanomateriale. Die gebruik daarvan in termiese isolasie was egter voorheen bemoeilik deur die feit dat die golflengte van koelmiddels (fone*) is aansienlik korter as dié van elektrone of fotone.
Phonon* - 'n kwasideeltjie, wat 'n kwantum is van die vibrasiebeweging van kristalatome.
As gevolg van die bosoniese aard van fonone is dit boonop onmoontlik om hulle deur spanning te beheer (soos met ladingdraers gedoen word), wat dit oor die algemeen moeilik maak om hitte-oordrag in vaste stowwe te beheer.
Voorheen is die termiese eienskappe van vaste stowwe, soos navorsers ons herinner, beheer deur nanolaminaatfilms en superroosters as gevolg van strukturele wanorde en hoëdigtheid-koppelvlakke, of deur silikon en germanium nanodrade as gevolg van sterk fononverstrooiing.
Aan 'n aantal van die termiese isolasiemetodes wat hierbo beskryf is, is wetenskaplikes met selfvertroue gereed om tweedimensionele materiale toe te skryf, waarvan die dikte nie verskeie atome oorskry nie, wat dit maklik maak om op 'n atoomskaal te beheer. In hul studie het hulle gebruik van der Waals (vdW) samestelling van atoomdun 2D-lae om baie hoë termiese weerstand regdeur hul heterostruktuur te bereik.
Van der Waals kragte* — intermolekulêre/interatomiese interaksiekragte met 'n energie van 10-20 kJ/mol.
Die nuwe tegniek het dit moontlik gemaak om termiese weerstand te verkry in 'n 2 nm dik vdW heterostruktuur vergelykbaar met dié in 'n 2 nm dik SiO300 (silikondioksied) laag.
Daarbenewens het die gebruik van vdW heterostrukture dit moontlik gemaak om beheer oor termiese eienskappe op atoomvlak te verkry deur die lae van heterogene XNUMXD monolae met verskillende atoommassadigthede en vibrasiemodusse.
Dus, laat ons nie die kat se snorbaarde trek nie en laat ons die resultate van hierdie wonderlike navorsing begin oorweeg.
Navorsingsresultate
Eerstens, laat ons kennis maak met die mikrostrukturele en optiese kenmerke van die vdW heterostrukture wat in hierdie studie gebruik word.
Prent #1
Op die beeld 1a toon 'n deursneediagram van 'n vier-laag heterostruktuur wat bestaan uit (van bo na onder): grafeen (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 en 'n SiO2/Si substraat. Om alle lae gelyktydig te skandeer, gebruik Raman laser* met 'n golflengte van 532 nm.
Raman laser* - 'n tipe laser waarin die hoofmeganisme van ligversterking Raman-verstrooiing is.
Raman verstrooiing, op sy beurt, is die onelastiese verstrooiing van optiese straling op die molekules van 'n stof, wat gepaard gaan met 'n beduidende verandering in die frekwensie van die straling.
Verskeie metodes is gebruik om die mikrostrukturele, termiese en elektriese homogeniteit van heterostrukture te bevestig: skandeertransmissie-elektronmikroskopie (STEM), fotoluminessensiespektroskopie (PL), Kelvin-sondemikroskopie (KPM), skanderingtermiese mikroskopie (SThM), sowel as Ramanspektroskopie en termometrie.
Изображение 1b wys vir ons die Raman-spektrum van 'n Gr/MoSe2/MoS2/WSe22-heterostruktuur op 'n SiO2/Si-substraat op die plek gemerk met 'n rooi kol. Hierdie plot toon die handtekening van elke monolaag in die laag skikking, sowel as die handtekening van die Si substraat.
Op 1c-1f donkerveld STEM beelde van die Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 heterostruktuur word getoon (1s) en Gr/MoS2/WSe22 heterostrukture (1d-1f) met verskillende tralieoriëntasies. STEM-beelde wys vdW-gapings wat atoom toe is sonder enige besoedeling, sodat die algehele dikte van hierdie heterostrukture ten volle sigbaar is. Die teenwoordigheid van tussenlaagkoppeling is ook oor groot skanderingsareas bevestig met behulp van fotoluminescensie (PL) spektroskopie (1g). Die fotoluminescerende sein van individuele lae binne die heterostruktuur word aansienlik onderdruk in vergelyking met die sein van 'n geïsoleerde monolaag. Dit word verklaar deur die proses van tussenlaagladingoordrag as gevolg van noue tussenlaaginteraksie, wat selfs sterker word na uitgloeiing.
Prent #2
Ten einde die hittevloei loodreg op die atoomvlakke van die heterostruktuur te meet, is die reeks lae in die vorm van vier-sonde elektriese toestelle gestruktureer. Die boonste laag grafeen maak kontak met palladium (Pd) elektrodes en word gebruik as 'n verwarmer vir Raman termometrie metings.
Hierdie elektriese verhittingsmetode verskaf presiese kwantifisering van insetkrag. Nog 'n moontlike verhittingsmetode, opties, sou moeiliker wees om te implementeer as gevolg van onkunde oor die absorpsiekoëffisiënte van individuele lae.
Op 2a toon 'n vier-sonde meetkring, en 2b toon 'n boaansig van die struktuur wat getoets word. Skedule 2s toon gemete hitte-oordrag eienskappe vir drie toestelle, een wat slegs grafeen bevat en twee wat Gr/WSe22 en Gr/MoSe2/WSe22 laag skikkings bevat. Alle variante demonstreer ambipolêre gedrag van grafeen, wat geassosieer word met die afwesigheid van 'n bandgaping.
Daar is ook gevind dat stroomgeleiding en verhitting in die boonste laag (grafeen) voorkom, aangesien die elektriese geleiding daarvan verskeie grootteordes hoër is as dié van MoS2 en WSe22.
Om die homogeniteit van die getoetste toestelle te demonstreer, is metings geneem met behulp van Kelvin-sondemikroskopie (KPM) en skanderingtermiese mikroskopie (SThM). Op die grafiek 2d KPM-metings word vertoon wat die lineêre potensiaalverspreiding openbaar. Die resultate van die SThM-analise word in 2e. Hier sien ons 'n kaart van elektries verhitte Gr/MoS2/WSe22-kanale, sowel as die teenwoordigheid van eenvormigheid in oppervlakverhitting.
Die skanderingstegnieke hierbo beskryf, veral SThM, het die homogeniteit van die struktuur wat bestudeer word, dit wil sê die homogeniteit daarvan, in terme van temperature bevestig. Die volgende stap was om die temperatuur van elk van die samestellende lae te kwantifiseer deur Raman-spektroskopie (d.w.s. Raman-spektroskopie) te gebruik.
Al drie toestelle is getoets, elk met 'n oppervlakte van ~40 µm2. In hierdie geval het die verwarmerkrag met 9 mW verander, en die geabsorbeerde laserkrag was minder as ~5 μW met 'n laservlekarea van ~0.5 μm2.
Prent #3
Op die grafiek 3a 'n toename in temperatuur (∆T) van elke laag en substraat is sigbaar soos die verwarmerkrag in die Gr/MoS2/WSe22 heterostruktuur toeneem.
Die hellings van die liniêre funksie vir elke materiaal (laag) dui die termiese weerstand (Rth=∆T/P) tussen die individuele laag en die hitte-afleider aan. Gegewe die eenvormige verspreiding van verwarming oor die area, kan termiese weerstande maklik van die onderste na die boonste laag ontleed word, waartydens hul waardes deur die kanaalarea (WL) genormaliseer word.
L en W is die kanaallengte en -breedte, wat aansienlik groter is as die dikte van die SiO2-substraat en die laterale termiese verhittingslengte, wat ~0.1 μm is.
Daarom kan ons die formule vir die termiese weerstand van die Si-substraat aflei, wat soos volg sal lyk:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
In hierdie situasie kSi ≈ 90 W m−1 K−1, wat die verwagte termiese geleidingsvermoë van so 'n hoogs gedoteerde substraat is.
Die verskil tussen Rth,WSe2 en Rth,Si is die som van die termiese weerstand van 2 nm dik SiO100 en die termiese grensweerstand (TBR) van die WSe2/SiO2-koppelvlak.
Deur al die bogenoemde aspekte saam te voeg, kan ons vasstel dat Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, en Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Daarom, vanaf die grafiek 3a dit is moontlik om die TBR-waarde vir elk van die WSe2/SiO2-, MoS2/WSe2- en Gr/MoS2-koppelvlakke te onttrek.
Vervolgens het die wetenskaplikes die totale termiese weerstand van alle heterostrukture vergelyk, gemeet met Raman-spektroskopie en termiese mikroskopie (3b).
Twee- en drielaag heterostrukture op SiO2 het effektiewe termiese weerstand in die reeks van 220 tot 280 m2 K/GW by kamertemperatuur getoon, wat gelykstaande is aan die termiese weerstand van SiO2 met 'n dikte van 290 tot 360 nm. Ten spyte van die feit dat die dikte van die heterostrukture wat bestudeer word nie 2 nm oorskry nie (1d-1f), hul termiese geleidingsvermoë is 0.007-0.009 W m−1 K−1 by kamertemperatuur.
Prent #4
Beeld 4 toon die metings van al vier strukture en die termiese grensgeleidingsvermoë (TBC) van hul koppelvlakke, wat ons in staat stel om die mate van invloed van elke laag op die voorheen gemete termiese weerstand (TBC = 1 / TBR) te evalueer.
Die navorsers merk op dat dit die eerste TBC-meting ooit is vir atoom-nuwe koppelvlakke tussen afsonderlike monolae (2D/2D), spesifiek tussen WSe2 en SiO2 monolae.
Die TBC van 'n monolaag WSe2/SiO2 koppelvlak is laer as dié van 'n meerlaag WSe2/SiO2 koppelvlak, wat nie verbasend is nie aangesien die monolaag aansienlik minder buig fonon modusse beskikbaar het vir transmissie. Eenvoudig gestel, die TBC van die koppelvlak tussen 2D-lae is laer as die TBC van die koppelvlak tussen die 2D-laag en die 3D SiO2-substraat (4b).
Vir 'n meer gedetailleerde kennismaking met die nuanses van die studie, beveel ek aan om na te kyk и aan hom.
Epiloog
Hierdie navorsing, soos die wetenskaplikes self beweer, gee ons kennis wat toegepas kan word in die implementering van atoom termiese raakvlakke. Hierdie werk het die moontlikheid getoon om hitte-isolerende metamateriale te skep waarvan die eienskappe nie in die natuur voorkom nie. Daarbenewens het die studie ook die moontlikheid bevestig om presiese temperatuurmetings van sulke strukture uit te voer, ten spyte van die atoomskaal van die lae.
Die heterostrukture wat hierbo beskryf word, kan die basis word vir ultra-ligte en kompakte termiese "skilde", wat byvoorbeeld hitte van warm kolle in elektronika kan verwyder. Daarbenewens kan hierdie tegnologie gebruik word in termo-elektriese kragopwekkers of termies beheerde toestelle, wat hul werkverrigting verhoog.
Hierdie studie bevestig weereens dat die moderne wetenskap ernstig belangstel in die beginsel van "doeltreffendheid in 'n vingerhoed," wat nie 'n dom idee genoem kan word nie, gegewe die beperkte hulpbronne van die planeet en die voortdurende groei in die vraag na allerlei tegnologiese innovasies.
Dankie vir die lees, bly nuuskierig en geniet 'n wonderlike week ouens! 🙂
Dankie dat jy by ons gebly het. Hou jy van ons artikels? Wil jy meer interessante inhoud sien? Ondersteun ons deur 'n bestelling te plaas of by vriende aan te beveel, 30% afslag vir Habr-gebruikers op 'n unieke analoog van intreevlakbedieners, wat deur ons vir jou uitgevind is: (beskikbaar met RAID1 en RAID10, tot 24 kerne en tot 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 keer goedkoper? Net hier in Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - vanaf $99! Lees van
Bron: will.com