Много геймъри по света, които са преживели ерата на Xbox 360, са добре запознати със ситуацията, когато тяхната конзола се превърна в тиган, на който могат да пържат яйца. Подобна тъжна ситуация се случва не само с игрови конзоли, но и с телефони, лаптопи, таблети и много други. По принцип почти всяко електронно устройство може да претърпи термичен шок, което може да доведе не само до повреда и разстройство на собственика му, но и до „лош бум“ на батерията и сериозни наранявания. Днес ще се запознаем с изследване, в което учени от Станфордския университет, подобно на Ник Фюри от комиксите, са създали щит, който предпазва чувствителните към топлина електронни части от прегряване и в резултат на това предотвратява тяхната повреда. Как учените успяха да създадат термичен щит, какви са основните му компоненти и колко ефективен е той? За това и още научаваме от доклада на изследователската група. Отивам.
Изследователска база
Проблемът с прегряването е известен от много дълго време и учените го решават по различни начини. Някои от най-популярните са използването на стъкло, пластмаса и дори въздушни слоеве, които служат като своеобразни изолатори на топлинното излъчване. В съвременните реалности този метод може да бъде подобрен чрез намаляване на дебелината на защитния слой до няколко атома, без да се губят неговите топлоизолационни свойства. Точно това са направили изследователите.
Разбира се, говорим за наноматериали. Използването им в топлоизолацията обаче преди това беше усложнено от факта, че дължината на вълната на охлаждащите течности (фонони*) е значително по-къс от този на електроните или фотоните.
фонон* - квазичастица, която е квант на вибрационното движение на кристалните атоми.
В допълнение, поради бозонната природа на фононите, е невъзможно те да се контролират чрез напрежение (както се прави с носителите на заряд), което обикновено затруднява контрола на преноса на топлина в твърди вещества.
Преди това термичните свойства на твърдите тела, както ни напомнят изследователите, бяха контролирани чрез наноламинатни филми и суперрешетки поради структурно разстройство и интерфейси с висока плътност или чрез силициеви и германиеви нанопроводници поради силно фононно разсейване.
Към редица от методите за топлоизолация, описани по-горе, учените са уверено готови да припишат двуизмерни материали, чиято дебелина не надвишава няколко атома, което ги прави лесни за контролиране в атомен мащаб. В своето проучване те използваха ван дер Ваалс (vdW) сглобяване на атомно тънки 2D слоеве за постигане на много високо термично съпротивление в цялата им хетероструктура.
Сили на Ван дер Ваалс* — сили на междумолекулно/междуатомно взаимодействие с енергия 10-20 kJ/mol.
Новата техника направи възможно получаването на термична устойчивост в vdW хетероструктура с дебелина 2 nm, сравнима с тази в слой SiO2 (силициев диоксид) с дебелина 300 nm.
В допълнение, използването на vdW хетероструктури направи възможно получаването на контрол върху топлинните свойства на атомно ниво чрез наслояване на хетерогенни XNUMXD монослоеве с различни плътности на атомната маса и вибрационни режими.
Така че, нека не дърпаме мустаците на котката и нека започнем да разглеждаме резултатите от това невероятно изследване.
Резултати от проучването
Първо, нека се запознаем с микроструктурните и оптичните характеристики на vdW хетероструктурите, използвани в това изследване.
Изображение #1
На изображението 1a показва диаграма на напречно сечение на четирислойна хетероструктура, състояща се от (отгоре надолу): графен (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 и SiO2/Si субстрат. За да сканирате всички слоеве едновременно, използвайте Раманов лазер* с дължина на вълната 532 nm.
Раман лазер* - вид лазер, при който основният механизъм на усилване на светлината е рамановото разсейване.
Раманово разсейване, от своя страна, е нееластичното разсейване на оптичното лъчение върху молекулите на веществото, което е придружено от значителна промяна в честотата на лъчението.
Бяха използвани няколко метода за потвърждаване на микроструктурната, топлинна и електрическа хомогенност на хетероструктурите: сканираща трансмисионна електронна микроскопия (STEM), фотолуминесцентна спектроскопия (PL), сондова микроскопия на Келвин (KPM), сканираща термична микроскопия (SThM), както и раманова спектроскопия и термометрия .
Изображение 1b ни показва рамановия спектър на Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 хетероструктура върху SiO2/Si субстрат на мястото, маркирано с червена точка. Тази диаграма показва подписа на всеки монослой в масива от слоеве, както и подписа на Si субстрата.
На 1c-1f показани са STEM изображения в тъмно поле на хетероструктурата Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 (1s) и хетероструктури Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) с различни ориентации на решетката. STEM изображенията показват атомно близки vdW пропуски без никакво замърсяване, което позволява общата дебелина на тези хетероструктури да бъде напълно видима. Наличието на междуслойно свързване също беше потвърдено върху големи области на сканиране с помощта на фотолуминесцентна (PL) спектроскопия (1g). Фотолуминесцентният сигнал на отделните слоеве вътре в хетероструктурата е значително потиснат в сравнение със сигнала на изолиран монослой. Това се обяснява с процеса на междуслойно прехвърляне на заряда поради тясно междуслойно взаимодействие, което става още по-силно след отгряване.
Изображение #2
За да се измери топлинният поток, перпендикулярен на атомните равнини на хетероструктурата, масивът от слоеве беше структуриран под формата на електрически устройства с четири сонди. Най-горният слой от графен контактува с паладиеви (Pd) електроди и се използва като нагревател за Раманови термометрични измервания.
Този метод на електрическо нагряване осигурява точно количествено определяне на входящата мощност. Друг възможен метод на нагряване, оптичният, би бил по-труден за изпълнение поради непознаване на коефициентите на поглъщане на отделните слоеве.
На 2a показва измервателна верига с четири сонди и 2b показва изглед отгоре на тестваната структура. График 2s показва измерени характеристики на топлопреминаване за три устройства, едно, съдържащо само графен, и две, съдържащи Gr/WSe22 и Gr/MoSe2/WSe22 масиви от слоеве. Всички варианти демонстрират амбиполярно поведение на графена, което е свързано с липсата на забранена лента.
Установено е също, че провеждането на ток и нагряването възникват в горния слой (графен), тъй като неговата електрическа проводимост е с няколко порядъка по-висока от тази на MoS2 и WSe22.
За да се демонстрира хомогенността на тестваните устройства, бяха направени измервания с помощта на микроскопия със сонда на Келвин (KPM) и сканираща термична микроскопия (SThM). На графиката 2d Показани са KPM измервания, разкриващи линейното разпределение на потенциала. Резултатите от SThM анализа са показани в 2е. Тук виждаме карта на електрически нагрети Gr/MoS2/WSe22 канали, както и наличието на еднородност в повърхностното нагряване.
Описаните по-горе техники за сканиране, по-специално SThM, потвърдиха хомогенността на изследваната структура, тоест нейната хомогенност по отношение на температурите. Следващата стъпка беше да се определи количествено температурата на всеки от съставните слоеве с помощта на раманова спектроскопия (т.е. раманова спектроскопия).
И трите устройства бяха тествани, всяко с площ от ~40 µm2. В този случай мощността на нагревателя се промени с 9 mW, а абсорбираната лазерна мощност беше под ~ 5 μW с площ на лазерното петно от ~ 0.5, 2 μmXNUMX.
Изображение #3
На графиката 3a повишаване на температурата (∆T) на всеки слой и субстрат се вижда, когато мощността на нагревателя в Gr/MoS2/WSe22 хетероструктурата се увеличава.
Наклоните на линейната функция за всеки материал (слой) показват топлинното съпротивление (Rth=∆T/P) между отделния слой и радиатора. Като се има предвид равномерното разпределение на нагряването върху площта, топлинните съпротивления могат лесно да бъдат анализирани от долния до горния слой, при което техните стойности се нормализират от площта на канала (WL).
L и W са дължината и ширината на канала, които са значително по-големи от дебелината на SiO2 субстрата и дължината на странично термично нагряване, която е ~ 0.1, XNUMX μm.
Следователно можем да изведем формулата за топлинното съпротивление на Si субстрата, която ще изглежда така:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
В тази ситуация kSi ≈ 90 W m−1 K−1, което е очакваната топлопроводимост на такъв силно легиран субстрат.
Разликата между Rth,WSe2 и Rth,Si е сумата от термичното съпротивление на SiO2 с дебелина 100 nm и термичното гранично съпротивление (TBR) на интерфейса WSe2/SiO2.
Събирайки всички горни аспекти заедно, можем да установим, че Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2 и Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Следователно от графиката 3a възможно е да се извлече стойността на TBR за всеки от интерфейсите WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 и Gr/MoS2.
След това учените сравняват общото термично съпротивление на всички хетероструктури, измерено с помощта на раманова спектроскопия и термична микроскопия (3b).
Двуслойните и трислойните хетероструктури върху SiO2 показват ефективна термична устойчивост в диапазона от 220 до 280 m2 K/GW при стайна температура, което е еквивалентно на термичната устойчивост на SiO2 с дебелина от 290 до 360 nm. Въпреки факта, че дебелината на изследваните хетероструктури не надвишава 2 nm (1d-1f), тяхната топлопроводимост е 0.007-0.009 W m−1 K−1 при стайна температура.
Изображение #4
Изображение 4 показва измерванията на всичките четири структури и топлинната гранична проводимост (TBC) на техните интерфейси, което ни позволява да оценим степента на влияние на всеки слой върху предварително измереното топлинно съпротивление (TBC = 1 / TBR).
Изследователите отбелязват, че това е първото измерване на TBC за атомно близки интерфейси между отделни монослоеве (2D/2D), по-специално между монослоеве WSe2 и SiO2.
TBC на монослоен интерфейс WSe2/SiO2 е по-нисък от този на многослоен интерфейс WSe2/SiO2, което не е изненадващо, тъй като монослоят има значително по-малко огъващи се фононни режими, налични за предаване. Просто казано, TBC на интерфейса между 2D слоеве е по-нисък от TBC на интерфейса между 2D слоя и 3D SiO2 субстрата (4b).
За по-подробно запознаване с нюансите на изследването препоръчвам да разгледате и на него.
Епилог
Това изследване, както твърдят самите учени, ни дава знания, които могат да бъдат приложени при реализацията на атомни термични интерфейси. Тази работа показа възможността за създаване на топлоизолационни метаматериали, чиито свойства не се срещат в природата. В допълнение, изследването също потвърди възможността за извършване на прецизни температурни измервания на такива структури, въпреки атомния мащаб на слоевете.
Описаните по-горе хетероструктури могат да станат основа за ултра леки и компактни термични „щитове“, способни например да премахват топлината от горещи точки в електрониката. В допълнение, тази технология може да се използва в термоелектрически генератори или термично контролирани устройства, повишавайки тяхната производителност.
Това изследване още веднъж потвърждава, че съвременната наука се интересува сериозно от принципа „ефективност в напръстник“, което не може да се нарече глупава идея, като се имат предвид ограничените ресурси на планетата и непрекъснатото нарастване на търсенето на всякакви технологични иновации.
Благодаря ви за вниманието, бъдете любопитни и желая страхотна седмица на всички! 🙂
Благодарим ви, че останахте с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да видите още интересно съдържание? Подкрепете ни, като направите поръчка или препоръчате на приятели, 30% отстъпка за потребителите на Habr за уникален аналог на сървъри от начално ниво, който беше измислен от нас за вас: (предлага се с RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 пъти по-евтин? Само тук в Холандия! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Прочети за
Източник: www.habr.com