Многім геймерам па ўсім свеце, якія засталі эпоху Xbox 360, вельмі знаёмая сітуацыя, калі іх кансоль ператваралася ў патэльню, на якой можна было пячы яечню. Падобная сумная сітуацыя сустракаецца не толькі з гульнявымі кансолямі, але і з тэлефонамі, наўтбукамі, планшэтамі і шматлікім іншым. У прынцыпе, практычна любая электроніка можа адчуваць цеплавы ўдар, што можа прывесці не толькі да яе паломкі і засмучаным пачуццям яе ўладальніка, але і да "бада-бум" батарэі і сур'ёзным траўмам. Сёння мы з вамі пазнаёмімся з даследаваннем, у якім навукоўцы са Стэнфардскага ўніверсітэта, акі Нік Фьюри з коміксаў, стварылі шчыт, які засцерагае тэрмаадчувальныя дэталі электронікі ад перагрэву і, як следства, які прадухіляе іх паломку. Як навукоўцам атрымалася стварыць тэрма-шчыт, якія яго асноўныя кампаненты і наколькі ён эфектыўны? Пра гэта і не толькі мы даведаемся з даклада даследчай групы. Паехалі.
Аснова даследавання
Праблема перагрэву вядома ўжо вельмі даўно, і навукоўцы вырашаюць яе самымі рознымі спосабамі. Аднымі з самых папулярных лічыцца ўкараненне шкла, пластыка і нават праслоек паветра, якія служаць свайго роду ізалятарамі цеплавога выпраменьвання. У сучасных рэаліях гэты метад можна ўдасканаліць, паменшыўшы таўшчыню ахоўнага пласта да некалькіх атамаў, не страціўшы яго тэрмаізаляцыйных уласцівасцяў. Менавіта гэта даследнікі і зрабілі.
Гаворка ідзе, вядома ж, аб нанаматэрыялах. Аднак іх ужыванне ў цеплаізаляцыі раней было ўскладнена тым, што даўжыня хвалі цепланосбітаў.фононаў*) значна карацей, чым у электронаў або фатонаў.
Фонон* - Квазічасціца, якая ўяўляе сабой квант вагальнага руху атамаў крышталя.
Акрамя таго, з прычыны базоннай прыроды фононаў, кіраваць імі пасродкам напругі (як гэта робіцца з носьбітамі зарада) немагчыма, што ў цэлым абцяжарвае кіраванне пераносам цяпла ў цвёрдых целах.
Раней кіраванне тэрмічнымі ўласцівасцямі цвёрдых целаў, як нам нагадваюць даследнікі, ажыццяўлялася пасродкам наналамінатных плёнак і звышрашотак за кошт структурнага разупарадкавання і высокай шчыльнасці інтэрфейсаў або пасродкам крамянёвых і германіевых нанаправодаў за кошт моцнага фононнага рассейвання.
Да шэрагу вышэйапісаных метадаў цеплаізаляцыі навукоўцы з упэўненасцю гатовыя прыпісаць двухмерныя матэрыялы, таўшчыня якіх не перавышае некалькіх атамаў, што дазваляе лёгка імі кіраваць у атамарным маштабе. У сваім даследаванні яны выкарыстоўвалі ван-дэр-ваальсаўскую (vdW) зборку атамарна тонкіх 2D-пластоў для дасягнення вельмі высокага цеплавога супраціву па ўсёй іх гетэраструктуры.
Сілы Ван-дэр-Ваальса* - сілы міжмалекулярнага / міжатамнага ўзаемадзеяння з энергіяй 10-20 кДж / моль.
Новая методыка дазволіла атрымаць тэрмічны супраціў у vdW гетэраструктуры таўшчынёй 2 нм, супастаўнае з аналагічным у пласце SiO2 (дыяксід крэмнія) таўшчынёй 300 нм.
Акрамя таго, ужыванне vdW гетэраструктур дазволіла атрымаць кантроль над тэрмічнымі ўласцівасцямі на атамарным узроўні пасродкам напластавання гетэрагенных двухмерных монослоев з рознымі атамнымі масавымі шчыльнасцямі і вагальнымі модамі.
Такім чынам, не будзем цягнуць ката за вусы і прыступім да разгляду вынікаў гэтага дзіўнага даследавання.
вынікі даследавання
Першым чынам азнаёмімся з мікраструктурнымі і аптычнымі характарыстыкамі vdW гетэраструктур, выкарыстаных у дадзеным даследаванні.
Выява №1
На малюнку 1а паказана схема папярочнага перасеку чатырохслаёвай гетэраструктуры, якая складаецца з (зверху ўніз): графен (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 і падкладкі з SiO2/Si. Для адначасовага сканавання ўсіх пластоў выкарыстоўваецца раманаўскі лазер* з даўжынёй хвалі 532 нм.
Раманаўскі лазер* - Тып лазера, у якім асноўным механізмам узмацнення святла з'яўляецца камбінацыйнае рассейванне.
Камбінацыйнае рассейванне святла, у сваю чаргу, гэта няпругкае рассейванне аптычнага выпраменьвання на малекулах рэчыва, якое суправаджаецца значнай зменай частаты выпраменьвання.
Для пацверджання мікраструктурнай, тэрмічнай і электрычнай аднастайнасці гетэраструктур было ўжыта адразу некалькі метадаў: сканавальная прасвечваючая электронная мікраскапія (STEM), фотолюминесцентная спектраскапія (PL), зондавая мікраскапія метадам Кельвіна (KPM), сканавальная цеплавая мікраскапія (SThM) .
Малюнак 1b дэманструе нам спектр камбінацыйнага рассейвання гетэраструктуры Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 на падкладцы SiO2/Si у месцы, адзначаным чырвонай кропкай. Дадзены графік паказвае сігнатуру кожнага монослоя ў масіве пластоў, а таксама сігнатуру Si-падкладкі.
На 1c-1f паказаны цемнапольныя STEM здымкі гетэраструктуры Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 (1с) і гетэраструктуры Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) з рознымі арыентацыямі рашоткі. STEM здымкі паказваюць атамна блізкія vdW прамежкі без якіх-небудзь забруджванняў, што дазваляе цалкам убачыць агульную таўшчыню гэтых гетэраструктур. Таксама было пацверджана наяўнасць міжслаёвай сувязі і на вялікіх плошчах сканавання з дапамогай фотолюминесцентной (PL) спектраскапіі (1g). Фотолюминесцентный сігнал асобна ўзятых пластоў усярэдзіне гетэраструктуры значна прыгнечаны ў параўнанні з сігналам ізаляванага монослоя. Гэта тлумачыцца працэсам міжслаёвай перадачы зарада з прычыны цеснага міжслаёвага ўзаемадзеяння, якое становіцца яшчэ мацнейшым пасля адпалу.
Выява №2
Каб вымераць цеплавы струмень, перпендыкулярны атамным плоскасцям гетэраструктуры, масіў пластоў быў структураваны ў форме четырехзондовых электрычных прылад. Верхні пласт графена кантактуе з электродамі з паладыя (Pd) і выкарыстоўваецца ў якасці награвальніка для вымярэнняў тэрмаметрыі камбінацыйнага рассейвання.
Гэты метад электрычнага нагрэву забяспечвае дакладнае колькаснае вызначэнне ўваходнай магутнасці. Іншы магчымы метад нагрэву, аптычны, быў бы больш складаным у рэалізацыі з прычыны няведання каэфіцыентаў паглынання асобна ўзятых пластоў.
На 2а паказана схема чатырохзондавага вымярэння, а на 2b паказаны выгляд зверху тэстоўванай структуры. Графік 2с паказвае вымераныя характарыстыкі перадачы цяпла для трох прылад, адно з якіх утрымоўвае толькі графен, а два - масівы пластоў Gr/WSe22 і Gr/MoSe2/WSe22. Усе варыянты дэманструюць амбіпалярныя паводзіны графена, што звязана з адсутнасцю забароненай зоны.
Таксама было ўсталявана, што праводнасць току і нагрэў адбываюцца ў верхнім пласце (у графене), бо яго электраправоднасць на некалькі парадкаў вышэй, чым у MoS2 і WSe22.
Для дэманстрацыі аднастайнасці тэстоўваных прылад былі праведзены вымярэнні пасродкам зондавай мікраскапіі метадам Кельвіна (KPM) і сканавальнай цеплавой мікраскапіі (SThM). На графіцы 2d адлюстраваны KPM вымярэння з выяўленнем лінейнага размеркавання патэнцыялу. Вынікі SThM аналізу паказаны на 2е. Тут мы бачым карту па-электрычнаму нагрэтых каналаў Gr/MoS2/ WSe22, а таксама наяўнасць раўнамернасці ў нагрэве паверхні.
Вышэйапісаныя тэхнікі сканавання, у прыватнасці SThM, пацвердзілі аднастайнасць доследнай структуры, гэта значыць яе гамагеннасць, у аспекце тэмператур. Наступным крокам стала колькаснае вызначэнне тэмпературы кожнага са складнікаў пластоў, выкананае з дапамогай спектраскапіі камбінацыйнага рассейвання (г.зн. раманаўскай спектраскапіі).
Былі правераны ўсе тры прылады, плошча кожнага з якіх складала ~40 мкм2. Пры гэтым магутнасць награвальніка змянялася на 9 мВт, а магутнасць паглынутага лазера была ніжэй ~5 мкВт пры пляцы лазернай плямы ~0.5 мкм2.
Выява №3
На графіцы 3а відаць павышэнне тэмпературы (∆T) кожнага пласта і падкладкі па меры павелічэння магутнасці награвальніка ў гетэраструктуры Gr/MoS2/WSe22.
Нахілы лінейнай функцыі для кожнага матэрыялу (пласту) паказваюць на цеплавое супраціў (Rth=∆T/P) паміж асобна ўзятым пластом і цеплаадводам. Улічваючы раўнамернае размеркаванне нагрэву па пляцы, тэрмічныя супрацівы досыць проста прааналізаваць ад ніжняга да верхняга пласта, падчас чаго іх значэння нармалізуюцца па пляцы канала (WL).
L і W з'яўляюцца даўжынёй і шырынёй канала, якія значна перавышаюць таўшчыню падкладкі SiO2 і латэральную даўжыню тэрмічнага нагрэву, якая роўная ~0.1 мкм.
Такім чынам, можна вывесці формулу тэрмічнага супраціву падкладкі Si, якая будзе выглядаць так:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kСі)
У дадзенай сітуацыі kSi ≈ 90 Вт·м−1·K−1, што з'яўляецца чаканай цеплаправоднасцю падобнай высокалегіраванай падкладкі.
Розніца паміж Rth,WSe2 і Rth,Si з'яўляецца сумай тэрмічнага супраціву SiO2 таўшчынёй 100 нм і межавага тэрмічнага супраціву (TBR) інтэрфейсу WSe2/SiO2.
Склаўшы разам усе вышэйапісаныя аспекты, можна вызначыць, што Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, а Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Такім чынам, з графіка 3а можна атрымаць значэнне TBR для кожнага з інтэрфейсаў WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 і Gr/MoS2.
Далей навукоўцы параўналі агульнае тэрмічнае супраціўленне ўсіх гетэраструктур, вымеранае з дапамогай раманаўскай спектраскапіі і тэрмічнай мікраскапіі (3b).
Двухслаёвыя і трохслаёвыя гетэраструктуры на SiO2 прадэманстравалі эфектыўны тэрмічны супраціў у дыяпазоне ад 220 да 280 м2 · Да / ГВт пры пакаёвай тэмпературы, што эквівалентна тэрмічнаму супраціву SiO2 таўшчынёй ад 290 да 360 нм. Нягледзячы на тое, што таўшчыня доследных гетэраструктур не перавышае 2 нм.1d-1f), іх цеплаправоднасць складае 0.007-0.009 Вт·м−1·K−1 пры пакаёвай тэмпературы.
Выява №4
На малюнку №4 паказаны вынікі вымярэнняў усіх чатырох структур і межавай тэрмічнай праводнасці (TBC) іх інтэрфейсаў, што дазваляе ацаніць ступень уплыву кожнага з пластоў на вымераны раней тэрмічнае супраціў (TBC = 1 / TBR).
Даследнікі адзначаюць, што гэта з'яўляецца першым у гісторыі вымярэннем TBC для атамарна блізкіх інтэрфейсаў паміж асобнымі манапластамі (2D/2D), у прыватнасці паміж манапластамі WSe2 і SiO2.
TBC монослойного інтэрфейсу WSe2/SiO2 ніжэй, чым у шматслаёвага WSe2/SiO2, што нядзіўна, бо ў монослое значна менш изгибных фононных мод, даступных для перадачы. Прасцей кажучы, TBC інтэрфейсу паміж 2D пластамі ніжэй, чым TBC інтэрфейсу паміж 2D пластом і 3D падкладкай SiO2 (4b).
Для больш дэталёвага азнаямлення з нюансамі даследавання рэкамендую зазірнуць у и да яго.
Эпілог
Дадзенае даследаванне, як сцвярджаюць самі навукоўцы, дае нам веды, якія можна прымяніць у рэалізацыі атамарных цеплавых інтэрфейсаў. Гэтая праца паказала магчымасць стварэння цеплаізалюючых метаматэрыялаў, уласцівасці якіх не сустракаюцца ў прыродзе. Акрамя таго даследаванне таксама пацвердзіла магчымасць правядзення найдакладных вымярэнняў тэмпературы такіх структур, нягледзячы на атамарны маштаб пластоў.
Вышэйапісаныя гетэраструктуры могуць стаць асновай звышлёгкіх і кампактных цеплавых «шчытоў», здольных, напрыклад, адводзіць цяпло ад гарачых кропак у электроніцы. Акрамя таго, дадзеная тэхналогія можа быць скарыстана ў тэрмаэлектрычных генератарах або ў па-тэрмічнаму кіраваных прыладах, падвышаючы іх прадукцыйнасць.
Дадзенае даследаванне лішні раз пацвярджае, што сучасная навука сур'ёзна захапілася прынцыпам "эфектыўнасць у напарстку", што нельга назваць дурной задумай, улічваючы абмежаванасць рэсурсаў планеты і бесперапынны рост попыту на ўсякага роды тэхналагічныя інавацыі.
Дзякую за ўвагу, заставайцеся цікаўнымі і добрай усім працоўнага тыдня, хлопцы! 🙂
Дзякуй, што застаяцеся з намі. Вам падабаюцца нашыя артыкулы? Жадаеце бачыць больш цікавых матэрыялаў? Падтрымайце нас аформіўшы замову або парэкамендаваўшы знаёмым, 30% зніжка для карыстальнікаў Хабра на ўнікальны аналаг entry-level сервераў, які быў прыдуманы намі для Вас: (даступныя варыянты з RAID1 і RAID10, да 24 ядраў і да 40GB DDR4).
Dell R730xd у 2 разы танней? Толькі ў нас у Нідэрландах! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – ад $99! Чытайце аб тым
Крыніца: habr.com