Xbox 360 dövrünü yaşayan dünyanın bir çox oyunçusu, konsolunun yumurta qızartmaq üçün bir tavaya çevrildiyi vəziyyətlə çox tanışdır. Bənzər kədərli vəziyyət təkcə oyun konsollarında deyil, həm də telefonlar, noutbuklar, planşetlər və daha çox şeylə baş verir. Prinsipcə, demək olar ki, hər hansı bir elektron cihaz istilik şoku ilə qarşılaşa bilər ki, bu da təkcə onun uğursuzluğuna və sahibinin əsəbləşməsinə deyil, həm də batareyanın "pis bumuna" və ciddi xəsarətlərə səbəb ola bilər. Bu gün biz Stenford Universitetinin alimlərinin komikslərdən Nik Fyuri kimi istiliyə həssas elektron hissələrini həddən artıq qızmadan qoruyan və nəticədə onların sıradan çıxmasının qarşısını alan qalxan yaratdıqları araşdırma ilə tanış olacağıq. Alimlər termal qoruyucu yaratmağı necə bacardılar, onun əsas komponentləri hansılardır və nə dərəcədə effektivdir? Bu və daha çoxunu araşdırma qrupunun hesabatından öyrənirik. Get.
Tədqiqat bazası
Həddindən artıq istiləşmə problemi çox uzun müddətdir məlumdur və elm adamları onu müxtəlif yollarla həll edirlər. Ən populyarlarından bəziləri istilik radiasiyasının bir növ izolyatoru kimi xidmət edən şüşə, plastik və hətta hava təbəqələrinin istifadəsidir. Müasir reallıqlarda bu üsul, istilik izolyasiya xüsusiyyətlərini itirmədən qoruyucu təbəqənin qalınlığını bir neçə atoma qədər azaltmaqla təkmilləşdirilə bilər. Tədqiqatçılar məhz bunu etdilər.
Söhbət təbii ki, nanomateriallardan gedir. Bununla belə, onların istilik izolyasiyasında istifadəsi əvvəllər soyuducuların dalğa uzunluğunun (fononlar*) elektron və ya fotonlardan əhəmiyyətli dərəcədə qısadır.
Fonon* - kristal atomlarının vibrasiya hərəkətinin kvantı olan kvazirəcik.
Bundan əlavə, fononların bozonik təbiətinə görə, onları gərginliklə idarə etmək mümkün deyil (yük daşıyıcılarında olduğu kimi), bu, ümumiyyətlə bərk cisimlərdə istilik ötürülməsinə nəzarəti çətinləşdirir.
Əvvəllər bərk cisimlərin istilik xassələri, tədqiqatçıların bizə xatırlatdığı kimi, struktur pozğunluğu və yüksək sıxlıqlı interfeyslər səbəbindən nanolaminat filmləri və super qəfəslər və ya güclü fonon səpilməsi səbəbindən silikon və germanium nanotelləri vasitəsilə idarə olunurdu.
Yuxarıda təsvir edilən bir sıra istilik izolyasiya üsullarına elm adamları, qalınlığı bir neçə atomdan çox olmayan iki ölçülü materialları aid etməyə hazırdırlar, bu da onları atom miqyasında idarə etməyi asanlaşdırır. Tədqiqatlarında istifadə etdilər van der Waals (vdW) heterostrukturları boyunca çox yüksək istilik müqavimətinə nail olmaq üçün atomik nazik 2D təbəqələrin yığılması.
Van der Waals qüvvələri* — enerjisi 10-20 kJ/mol olan molekullararası/atomlararası qarşılıqlı təsir qüvvələri.
Yeni texnika 2 nm qalınlığında SiO2 (silikon dioksid) təbəqəsi ilə müqayisə edilə bilən 300 nm qalınlığında vdW heterostrukturunda istilik müqavimətini əldə etməyə imkan verdi.
Bundan əlavə, vdW heterostrukturlarının istifadəsi müxtəlif atom kütləsi sıxlığı və vibrasiya rejimləri ilə heterojen XNUMXD monolayların qatlanması vasitəsilə atom səviyyəsində istilik xüsusiyyətlərinə nəzarəti əldə etməyə imkan verdi.
Beləliklə, pişiyin bığlarını çəkməyək və bu heyrətamiz tədqiqatın nəticələrini nəzərdən keçirməyə başlayaq.
Tədqiqatın nəticələri
Əvvəlcə bu işdə istifadə olunan vdW heterostrukturlarının mikrostruktur və optik xüsusiyyətləri ilə tanış olaq.
Şəkil №1
Şəkil üzərində 1a qrafen (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 və SiO2/Si substratından (yuxarıdan aşağıya) ibarət dörd qatlı heterostrukturun en kəsiyi diaqramını göstərir. Bütün təbəqələri eyni vaxtda skan etmək üçün istifadə edin Raman lazer* dalğa uzunluğu 532 nm.
Raman lazer* - işığın gücləndirilməsinin əsas mexanizminin Raman səpilməsi olduğu lazer növü.
Raman səpilməsi, öz növbəsində, şüalanma tezliyində əhəmiyyətli bir dəyişiklik ilə müşayiət olunan bir maddənin molekulları üzərində optik şüalanmanın qeyri-elastik səpilməsidir.
Heterostrukturların mikrostruktur, istilik və elektrik homojenliyini təsdiq etmək üçün bir neçə üsuldan istifadə edilmişdir: skan edən ötürücü elektron mikroskopiya (STEM), fotolüminessensiya spektroskopiyası (PL), Kelvin zond mikroskopiyası (KPM), skan edən termal mikroskopiya (SThM), həmçinin Raman spektroskopiyası və termometriya.
Изображение 1b qırmızı nöqtə ilə işarələnmiş yerdə SiO2/Si substratda Gr/MoSe2/MoS22/WSe2 heterostrukturunun Raman spektrini göstərir. Bu süjet qat massivindəki hər bir monolayerin imzasını, həmçinin Si substratının imzasını göstərir.
Haqqında 1c-1f Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 heterostrukturunun qaranlıq sahəli STEM şəkilləri göstərilir (1s) və Gr/MoS2/WSe22 heterostrukturları (1d-1f) müxtəlif qəfəs istiqamətləri ilə. STEM şəkilləri heç bir çirklənmədən atomik olaraq yaxın vdW boşluqlarını göstərir və bu heterostrukturların ümumi qalınlığının tam görünməsinə imkan verir. Fotolüminessensiya (PL) spektroskopiyasından istifadə edərək, böyük skan sahələrində təbəqələrarası birləşmənin mövcudluğu da təsdiq edilmişdir.1g). Heterostrukturun daxilində ayrı-ayrı təbəqələrin fotolüminessent siqnalı təcrid olunmuş monolayerin siqnalı ilə müqayisədə əhəmiyyətli dərəcədə sıxışdırılır. Bu, tavlandıqdan sonra daha da güclənən qatlararası sıx qarşılıqlı əlaqə sayəsində təbəqələrarası yükün ötürülməsi prosesi ilə izah olunur.
Şəkil №2
Heterostrukturun atom müstəvilərinə perpendikulyar olan istilik axınını ölçmək üçün təbəqələr massivi dörd zondlu elektrik cihazları şəklində qurulmuşdur. Qrafenin üst təbəqəsi palladium (Pd) elektrodları ilə təmasda olur və Raman termometriyasının ölçülməsi üçün qızdırıcı kimi istifadə olunur.
Bu elektrik isitmə üsulu giriş gücünün dəqiq kəmiyyətini təmin edir. Başqa bir mümkün istilik üsulu, optik, ayrı-ayrı təbəqələrin udma əmsallarını bilməməsi səbəbindən həyata keçirmək daha çətin olacaq.
Haqqında 2a dörd zondlu ölçmə dövrəsini göstərir və 2b sınaqdan keçirilən strukturun yuxarı görünüşünü göstərir. Cədvəl 2s birində yalnız qrafen və ikisində Gr/WSe22 və Gr/MoSe2/WSe22 qat massivləri olan üç cihaz üçün ölçülmüş istilik ötürmə xüsusiyyətlərini göstərir. Bütün variantlar qrafenin ambipolyar davranışını nümayiş etdirir ki, bu da bant boşluğunun olmaması ilə bağlıdır.
Həmçinin aşkar edilmişdir ki, cərəyan keçirmə və qızma yuxarı təbəqədə (qrafen) baş verir, çünki onun elektrik keçiriciliyi MoS2 və WSe22-dən bir neçə dəfə yüksəkdir.
Test edilmiş cihazların homojenliyini nümayiş etdirmək üçün Kelvin prob mikroskopiyası (KPM) və skan edən termal mikroskopiya (SThM) istifadə edərək ölçmələr aparılmışdır. Qrafikdə 2d KPM ölçmələri xətti potensial paylanmasını aşkar edərək göstərilir. SthM analizinin nəticələri aşağıda göstərilmişdir 2e. Burada biz elektriklə qızdırılan Gr/MoS2/WSe22 kanallarının xəritəsini, eləcə də səthin qızdırılmasında vahidliyin mövcudluğunu görürük.
Yuxarıda təsvir edilən skan etmə üsulları, xüsusən də SThM, tədqiq olunan strukturun bircinsliyini, yəni temperatur baxımından bircinsliyini təsdiq etdi. Növbəti addım Raman spektroskopiyasından (yəni, Raman spektroskopiyasından) istifadə edərək hər bir tərkib təbəqəsinin temperaturunu ölçmək idi.
Hər üç cihaz sınaqdan keçirildi, hər biri ~40 µm2 sahəyə malikdir. Bu halda, qızdırıcının gücü 9 mVt dəyişdi və udulmuş lazer gücü ~ 5 μm0.5 lazer ləkə sahəsi ilə ~ 2 μW-dən aşağı oldu.
Şəkil №3
Qrafikdə 3a Gr/MoS2/WSe22 heterostrukturunda qızdırıcının gücü artdıqca hər bir təbəqənin və substratın temperaturunda (∆T) artım görünür.
Hər bir material (qat) üçün xətti funksiyanın yamacları fərdi təbəqə ilə istilik qəbuledicisi arasındakı istilik müqavimətini (Rth=∆T/P) göstərir. Bölgədə istiliyin vahid paylanmasını nəzərə alaraq, istilik müqavimətləri aşağıdan yuxarı təbəqəyə qədər asanlıqla təhlil edilə bilər, bu müddət ərzində onların dəyərləri kanal sahəsi (WL) ilə normallaşdırılır.
L və W kanal uzunluğu və enidir, onlar SiO2 substratının qalınlığından və ~0.1 μm olan yanal istilik isitmə uzunluğundan əhəmiyyətli dərəcədə böyükdür.
Beləliklə, Si substratının istilik müqavimətinin düsturunu əldə edə bilərik ki, bu da belə görünür:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
Bu vəziyyətdə kSi ≈ 90 W m−1 K−1, bu, belə yüksək qatqılı substratın gözlənilən istilik keçiriciliyidir.
Rth,WSe2 və Rth,Si arasındakı fərq 2 nm qalınlığında SiO100-nin istilik müqavimətinin və WSe2/SiO2 interfeysinin termal sərhəd müqavimətinin (TBR) cəmidir.
Yuxarıdakı bütün aspektləri bir araya gətirərək, müəyyən edə bilərik ki, Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2 və Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Buna görə də, qrafikdən 3a WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 və Gr/MoS2 interfeyslərinin hər biri üçün TBR dəyərini çıxarmaq mümkündür.
Daha sonra elm adamları Raman spektroskopiyası və termal mikroskopiya ilə ölçülən bütün heterostrukturların ümumi istilik müqavimətini müqayisə etdilər.3b).
SiO2-də ikiqatlı və üçqatlı heterostrukturlar otaq temperaturunda 220-280 m2 K/GW diapazonunda effektiv istilik müqaviməti nümayiş etdirdilər ki, bu da qalınlığı 2-290 nm olan SiO360-nin istilik müqavimətinə bərabərdir. Tədqiq olunan heterostrukturların qalınlığının 2 nm-dən çox olmamasına baxmayaraq (1d-1f), onların istilik keçiriciliyi otaq temperaturunda 0.007-0.009 W m−1 K−1-dir.
Şəkil №4
Şəkil 4, bütün dörd strukturun ölçülərini və onların interfeyslərinin istilik sərhəd keçiriciliyini (TBC) göstərir ki, bu da hər bir təbəqənin əvvəlcədən ölçülmüş istilik müqavimətinə (TBC = 1 / TBR) təsir dərəcəsini qiymətləndirməyə imkan verir.
Tədqiqatçılar qeyd edirlər ki, bu, ayrı-ayrı monolaylar (2D/2D), xüsusən də WSe2 və SiO2 monolayları arasında atomik yaxın interfeyslər üçün ilk dəfə TBC ölçülməsidir.
Bir qatlı WSe2/SiO2 interfeysinin TBC göstəricisi çoxqatlı WSe2/SiO2 interfeysindən aşağıdır, bu, təəccüblü deyil, çünki monolayerdə ötürmə üçün daha az əyilmə fonon rejimi mövcuddur. Sadəcə olaraq, 2D təbəqələri arasındakı interfeysin TBC-si 2D təbəqəsi ilə 3D SiO2 substratı arasındakı interfeysin TBC-dən aşağıdır (4b).
Tədqiqatın nüansları ilə daha ətraflı tanış olmaq üçün baxmağı məsləhət görürəm и ona.
Epiloq
Bu tədqiqat, alimlərin özlərinin də iddia etdiyi kimi, bizə atom istilik interfeyslərinin həyata keçirilməsində tətbiq oluna biləcək biliklər verir. Bu iş xassələri təbiətdə tapılmayan istilik izolyasiya edən metamaterialların yaradılmasının mümkünlüyünü göstərdi. Bundan əlavə, tədqiqat təbəqələrin atom miqyasına baxmayaraq, belə strukturların dəqiq temperatur ölçmələrinin aparılmasının mümkünlüyünü də təsdiqlədi.
Yuxarıda təsvir edilən heterostrukturlar, məsələn, elektronikadakı isti nöqtələrdən istiliyi aradan qaldıra bilən ultra yüngül və yığcam termal "qalxanlar" üçün əsas ola bilər. Bundan əlavə, bu texnologiya termoelektrik generatorlarda və ya istiliklə idarə olunan cihazlarda istifadə edilə bilər, onların məhsuldarlığını artırır.
Bu araşdırma bir daha təsdiqləyir ki, müasir elm planetin məhdud resurslarını və bütün növ texnoloji yeniliklərə tələbatın davamlı artımını nəzərə alsaq, axmaq ideya adlandırıla bilməyən “yüksəkdə səmərəlilik” prinsipi ilə ciddi maraqlanır.
Diqqətiniz üçün təşəkkür edirik, maraqlanın və hər kəsə xoş həftə keçirin! 🙂
Bizimlə qaldığınız üçün təşəkkür edirik. Məqalələrimizi bəyənirsinizmi? Daha maraqlı məzmun görmək istəyirsiniz? Sifariş verməklə və ya dostlarınıza tövsiyə etməklə bizə dəstək olun, Bizim tərəfimizdən sizin üçün ixtira edilmiş giriş səviyyəli serverlərin unikal analoquna Habr istifadəçiləri üçün 30% endirim: (RAID1 və RAID10, 24 nüvəyə qədər və 40 GB DDR4 ilə mövcuddur).
Dell R730xd 2 dəfə ucuzdur? Yalnız burada Hollandiyada! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 dollardan! haqqında oxuyun
Mənbə: www.habr.com