العديد من اللاعبين حول العالم الذين جربوا عصر Xbox 360 على دراية كبيرة بالموقف عندما تحولت وحدة التحكم الخاصة بهم إلى مقلاة يمكنهم قلي البيض عليها. يحدث موقف محزن مماثل ليس فقط مع وحدات التحكم في الألعاب، ولكن أيضًا مع الهواتف وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة اللوحية وغير ذلك الكثير. من حيث المبدأ، يمكن أن يتعرض أي جهاز إلكتروني تقريبًا لصدمة حرارية، الأمر الذي قد يؤدي ليس فقط إلى فشله وإزعاج مالكه، ولكن أيضًا إلى "الانفجار السيئ" للبطارية وإصابة خطيرة. سنتعرف اليوم على دراسة قام فيها علماء من جامعة ستانفورد، مثل نيك فيوري من القصص المصورة، بإنشاء درع يحمي الأجزاء الإلكترونية الحساسة للحرارة من الحرارة الزائدة، ونتيجة لذلك، يمنع تعطلها. كيف تمكن العلماء من صنع درع حراري وما هي مكوناته الرئيسية وما مدى فعاليته؟ نتعرف على هذا وأكثر من خلال تقرير مجموعة البحث. يذهب.
أساس البحث
لقد كانت مشكلة ارتفاع درجة الحرارة معروفة منذ زمن طويل، ويحلها العلماء بعدة طرق. ومن أشهرها استخدام الزجاج والبلاستيك وحتى طبقات الهواء التي تعمل كنوع من عوازل الإشعاع الحراري. في الواقع الحديث، يمكن تحسين هذه الطريقة عن طريق تقليل سمك الطبقة الواقية إلى عدة ذرات دون فقدان خصائص العزل الحراري. وهذا بالضبط ما فعله الباحثون.
نحن نتحدث بالطبع عن المواد النانوية. ومع ذلك، كان استخدامها في العزل الحراري معقدًا في السابق بسبب حقيقة أن الطول الموجي لسائل التبريد (فونونات*) أقصر بكثير من الإلكترونات أو الفوتونات.
فونون* - شبه جسيم، وهو عبارة عن كم للحركة الاهتزازية للذرات البلورية.
بالإضافة إلى ذلك، نظرًا للطبيعة البوزونية للفونونات، فمن المستحيل التحكم بها عن طريق الجهد (كما هو الحال مع حاملات الشحنة)، مما يجعل من الصعب عمومًا التحكم في نقل الحرارة في المواد الصلبة.
في السابق، كان يتم التحكم في الخواص الحرارية للمواد الصلبة، كما يذكرنا الباحثون، من خلال أفلام النانولامينات والشبكات الفائقة بسبب الاضطراب الهيكلي والواجهات عالية الكثافة، أو من خلال أسلاك السيليكون والجرمانيوم النانوية بسبب تشتت الفونون القوي.
إلى عدد من طرق العزل الحراري الموصوفة أعلاه، فإن العلماء على استعداد بثقة لنسب مواد ثنائية الأبعاد، لا يتجاوز سمكها عدة ذرات، مما يسهل التحكم فيها على المقياس الذري. في دراستهم استخدموا فان دير فال (vdW) تجميع طبقات ثنائية الأبعاد رفيعة ذريًا لتحقيق مقاومة حرارية عالية جدًا في جميع أنحاء بنيتها المتغايرة.
قوات فان دير فالس* — قوى التفاعل بين الجزيئات/الذرات بطاقة تتراوح بين 10-20 كيلوجول/مول.
أتاحت التقنية الجديدة الحصول على مقاومة حرارية في بنية متغايرة vdW بسماكة 2 نانومتر، مماثلة لتلك الموجودة في طبقة SiO2 (ثاني أكسيد السيليكون) بسماكة 300 نانومتر.
بالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام الهياكل المتغايرة vdW أتاح إمكانية التحكم في الخواص الحرارية على المستوى الذري من خلال طبقات أحادية الطبقة ثنائية الأبعاد غير متجانسة ذات كثافات كتلة ذرية مختلفة وأنماط اهتزازية.
لذا، دعونا لا نسحب شوارب القطة، ولنبدأ في النظر في نتائج هذا البحث المذهل.
نتائج الدراسة
أولا وقبل كل شيء، دعونا نتعرف على الخصائص المجهرية والبصرية للهياكل المتغايرة vdW المستخدمة في هذه الدراسة.
الصورة رقم 1
على الصورة 1а يُظهر مخططًا مقطعيًا لبنية متغايرة مكونة من أربع طبقات تتكون من (من الأعلى إلى الأسفل): الجرافين (Gr) وMoSe2 وMoS2 وWSe22 والركيزة SiO2/Si. لمسح جميع الطبقات في وقت واحد، استخدم رامان ليزر* مع طول موجي 532 نانومتر.
رامان ليزر* - نوع من الليزر تكون فيه الآلية الرئيسية لتضخيم الضوء هي تشتت رامان.
تناثر رامانوهو بدوره التشتت غير المرن للإشعاع البصري على جزيئات المادة، والذي يصاحبه تغير كبير في تردد الإشعاع.
تم استخدام عدة طرق للتأكد من التجانس المجهري والحراري والكهربائي للهياكل المتغايرة: المسح المجهري الإلكتروني النافذ (STEM)، التحليل الطيفي للتألق الضوئي (PL)، الفحص المجهري لمسبار كلفن (KPM)، المسح المجهري الحراري (SThM)، وكذلك التحليل الطيفي رامان و قياس الحرارة .
Изображение 1b يوضح لنا طيف رامان للبنية المتغايرة Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 على ركيزة SiO2/Si في الموقع المميز بنقطة حمراء. تُظهر هذه المؤامرة توقيع كل طبقة أحادية في صفيف الطبقة، بالإضافة إلى توقيع الركيزة Si.
في 1c-1f يتم عرض صور STEM ذات المجال المظلم للبنية المتغايرة Gr / MoSe2 / MoS2 / WSe22 (1s) والهياكل المتغايرة Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) مع اتجاهات شعرية مختلفة. تُظهر صور STEM فجوات vdW قريبة ذريًا دون أي تلوث، مما يسمح للسمك الإجمالي لهذه الهياكل المتغايرة أن يكون مرئيًا بالكامل. تم أيضًا تأكيد وجود اقتران الطبقة البينية في مناطق المسح الكبيرة باستخدام التحليل الطيفي للتألق الضوئي (PL) (1g). يتم قمع الإشارة الضوئية للطبقات الفردية داخل البنية المتغايرة بشكل كبير مقارنة بإشارة الطبقة الأحادية المعزولة. يتم تفسير ذلك من خلال عملية نقل شحنة الطبقة البينية بسبب التفاعل الوثيق بين الطبقات، والذي يصبح أقوى بعد التلدين.
الصورة رقم 2
من أجل قياس تدفق الحرارة بشكل عمودي على المستويات الذرية للبنية المتغايرة، تم تنظيم مجموعة من الطبقات على شكل أجهزة كهربائية ذات أربعة مسبار. تتصل الطبقة العليا من الجرافين بأقطاب البلاديوم (Pd) وتستخدم كسخان لقياسات رامان الحرارية.
توفر طريقة التسخين الكهربائي هذه تقديرًا دقيقًا لطاقة الإدخال. هناك طريقة أخرى محتملة للتسخين، وهي الطريقة الضوئية، والتي قد يكون تنفيذها أكثر صعوبة بسبب جهل معاملات الامتصاص للطبقات الفردية.
في 2а يُظهر دائرة قياس بأربعة مسبار، و 2b يُظهر منظرًا علويًا للهيكل الذي يتم اختباره. جدول 2s يُظهر خصائص نقل الحرارة المُقاسة لثلاثة أجهزة، أحدها يحتوي فقط على الجرافين واثنين يحتويان على مصفوفات طبقات Gr/WSe22 وGr/MoSe2/WSe22. تُظهر جميع المتغيرات السلوك ثنائي القطب للجرافين، والذي يرتبط بغياب فجوة النطاق.
وقد وجد أيضًا أن توصيل التيار والتسخين يحدثان في الطبقة العليا (الجرافين)، نظرًا لأن موصليتها الكهربائية أعلى بعدة مرات من تلك الموجودة في MoS2 وWSe22.
لإثبات تجانس الأجهزة التي تم اختبارها، تم إجراء القياسات باستخدام المجهر المسبار كلفن (KPM) والمجهر الحراري الماسح (SThM). على المخطط 2d يتم عرض قياسات KPM لتكشف عن التوزيع المحتمل الخطي. تظهر نتائج تحليل SThM في 2e. نرى هنا خريطة لقنوات Gr/MoS2/WSe22 المسخنة كهربائيًا، بالإضافة إلى وجود تجانس في تسخين السطح.
أكدت تقنيات المسح الموصوفة أعلاه، ولا سيما SThM، تجانس الهيكل قيد الدراسة، أي تجانسه، من حيث درجات الحرارة. وكانت الخطوة التالية هي قياس درجة حرارة كل طبقة من الطبقات المكونة باستخدام مطيافية رامان (أي مطيافية رامان).
تم اختبار جميع الأجهزة الثلاثة، حيث تبلغ مساحة كل منها حوالي 40 ميكرومتر مربع. في هذه الحالة، تغيرت طاقة السخان بمقدار 2 ميجاوات، وكانت طاقة الليزر الممتصة أقل من 9 ميكرووات تقريبًا مع مساحة بقعة ليزر تبلغ 5 ميكرومتر تقريبًا.
الصورة رقم 3
على المخطط 3а تظهر زيادة في درجة الحرارة (∆T) لكل طبقة وركيزة مع زيادة طاقة السخان في البنية المتغايرة Gr / MoS2 / WSe22.
تشير منحدرات الدالة الخطية لكل مادة (طبقة) إلى المقاومة الحرارية (Rth=∆T/P) بين الطبقة الفردية والمشتت الحراري. نظرًا للتوزيع الموحد للتدفئة على المنطقة، يمكن تحليل المقاومة الحرارية بسهولة من الطبقة السفلية إلى الطبقة العليا، حيث يتم خلالها تطبيع قيمها بواسطة منطقة القناة (WL).
L وW هما طول القناة وعرضها، وهما أكبر بكثير من سمك الركيزة SiO2 وطول التسخين الحراري الجانبي، وهو ~0.1 ميكرومتر.
لذلك، يمكننا استخلاص صيغة المقاومة الحرارية للركيزة Si، والتي ستبدو كما يلي:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kسي)
في هذا الوضع kSi ≈ 90 W m−1 K−1، وهي الموصلية الحرارية المتوقعة لمثل هذه الركيزة المخدرة للغاية.
الفرق بين Rth وWSe2 وRth,Si هو مجموع المقاومة الحرارية لـ SiO2 بسمك 100 نانومتر ومقاومة الحدود الحرارية (TBR) للواجهة WSe2/SiO2.
من خلال وضع جميع الجوانب المذكورة أعلاه معًا، يمكننا إثبات أن Rth,MoS2 - Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2، وRth,Gr - Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. لذلك، من الرسم البياني 3а من الممكن استخراج قيمة TBR لكل من الواجهات WSe2/SiO2 وMoS2/WSe2 وGr/MoS2.
بعد ذلك، قارن العلماء المقاومة الحرارية الإجمالية لجميع الهياكل المتغايرة، والتي تم قياسها باستخدام مطياف رامان والمجهر الحراري (3b).
أظهرت الهياكل المتغايرة ثنائية الطبقة وثلاثية الطبقات على SiO2 مقاومة حرارية فعالة في حدود 220 إلى 280 مترًا مربعًا K/GW عند درجة حرارة الغرفة، وهو ما يعادل المقاومة الحرارية لـ SiO2 بسمك يتراوح من 2 إلى 290 نانومتر. على الرغم من أن سمك الهياكل المتغايرة قيد الدراسة لا يتجاوز 360 نانومتر (1d-1f) ، الموصلية الحرارية لها هي 0.007-0.009 واط · م−1 ك−1 في درجة حرارة الغرفة.
الصورة رقم 4
توضح الصورة 4 قياسات جميع الهياكل الأربعة وموصلية الحدود الحرارية (TBC) لواجهاتها، مما يسمح لنا بتقييم درجة تأثير كل طبقة على المقاومة الحرارية المقاسة مسبقًا (TBC = 1 / TBR).
لاحظ الباحثون أن هذا هو أول قياس TBC على الإطلاق للواجهات المتقاربة ذريًا بين الطبقات الأحادية المنفصلة (2D/2D)، وتحديدًا بين الطبقات الأحادية WSe2 وSiO2.
إن TBC لواجهة أحادية الطبقة WSe2/SiO2 أقل من واجهة WSe2/SiO2 متعددة الطبقات، وهو أمر ليس مفاجئًا نظرًا لأن الطبقة الأحادية لديها عدد أقل بكثير من أوضاع فونون الانحناء المتاحة للإرسال. ببساطة، TBC للواجهة بين الطبقات ثنائية الأبعاد أقل من TBC للواجهة بين الطبقة ثنائية الأبعاد والركيزة ثلاثية الأبعاد SiO2 (4b).
لمزيد من التعارف المفصل مع الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بالنظر и له.
خاتمة
وهذا البحث، كما يدعي العلماء أنفسهم، يعطينا المعرفة التي يمكن تطبيقها في تنفيذ الواجهات الحرارية الذرية. أظهر هذا العمل إمكانية إنشاء مواد عازلة للحرارة لا توجد خصائصها في الطبيعة. بالإضافة إلى ذلك، أكدت الدراسة أيضًا إمكانية إجراء قياسات دقيقة لدرجة حرارة مثل هذه الهياكل، بغض النظر عن المقياس الذري للطبقات.
يمكن أن تصبح الهياكل المتغايرة الموصوفة أعلاه أساسًا لـ "دروع" حرارية خفيفة الوزن ومدمجة، قادرة، على سبيل المثال، على إزالة الحرارة من النقاط الساخنة في الإلكترونيات. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام هذه التقنية في المولدات الكهربائية الحرارية أو الأجهزة التي يتم التحكم فيها حراريًا، مما يزيد من أدائها.
وتؤكد هذه الدراسة مرة أخرى أن العلم الحديث يهتم جديا بمبدأ "الكفاءة في الكشتبان" الذي لا يمكن وصفه بالفكرة الغبية، نظرا لمحدودية موارد الكوكب والنمو المستمر في الطلب على جميع أنواع الابتكارات التكنولوجية.
شكرا لاهتمامكم ، ابقوا فضوليين واستمتعوا بأسبوع رائع للجميع! 🙂
أشكركم على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية المزيد من المحتويات الشيقة؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية للأصدقاء ، خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من الخوادم المبتدئة ، والتي اخترعناها من أجلك: (متوفر مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وحتى 40 جيجا بايت DDR4).
ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ هنا فقط في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 جيجا هرتز 6C 128 جيجا بايت DDR3 2x960 جيجا بايت SSD 1 جيجا بايت في الثانية 100 تيرا بايت - من 99 دولارًا! أقرأ عن
المصدر: www.habr.com