আপনার যদি ল্যাপটপ থাকে তবে হিটিং প্যাড কেন: পারমাণবিক স্তরে তাপ প্রতিরোধের একটি অধ্যয়ন

বিশ্বজুড়ে অনেক গেমার যারা Xbox 360 যুগের অভিজ্ঞতা অর্জন করেছেন তারা সেই পরিস্থিতির সাথে খুব পরিচিত যখন তাদের কনসোল একটি ফ্রাইং প্যানে পরিণত হয়েছিল যেখানে তারা ডিম ভাজতে পারে। একটি অনুরূপ দুঃখজনক পরিস্থিতি শুধুমাত্র গেম কনসোলগুলির সাথেই নয়, ফোন, ল্যাপটপ, ট্যাবলেট এবং আরও অনেক কিছুর সাথেও ঘটে। নীতিগতভাবে, প্রায় যে কোনও ইলেকট্রনিক ডিভাইস তাপীয় শক অনুভব করতে পারে, যা কেবল তার ব্যর্থতা এবং তার মালিকের বিরক্তির দিকে নিয়ে যেতে পারে না, ব্যাটারির "খারাপ বুম" এবং গুরুতর আঘাতের দিকেও নিয়ে যেতে পারে। আজ আমরা একটি গবেষণার সাথে পরিচিত হব যেখানে স্ট্যানফোর্ড ইউনিভার্সিটির বিজ্ঞানীরা, কমিকস থেকে নিক ফিউরির মতো, একটি ঢাল তৈরি করেছেন যা তাপ-সংবেদনশীল ইলেকট্রনিক অংশগুলিকে অতিরিক্ত গরম হওয়া থেকে রক্ষা করে এবং ফলস্বরূপ, তাদের ভাঙ্গন রোধ করে। বিজ্ঞানীরা কীভাবে একটি তাপীয় ঢাল তৈরি করতে পরিচালনা করেছেন, এর প্রধান উপাদানগুলি কী এবং এটি কতটা কার্যকর? আমরা গবেষণা গ্রুপের প্রতিবেদন থেকে এই এবং আরও অনেক কিছু শিখেছি। যাওয়া.

গবেষণার ভিত্তি

অত্যধিক গরমের সমস্যাটি দীর্ঘকাল ধরে পরিচিত এবং বিজ্ঞানীরা এটি বিভিন্ন উপায়ে সমাধান করেন। সর্বাধিক জনপ্রিয় কিছু হল কাচ, প্লাস্টিক এবং এমনকি বাতাসের স্তরগুলির ব্যবহার, যা এক ধরণের তাপীয় বিকিরণ নিরোধক হিসাবে কাজ করে। আধুনিক বাস্তবতায়, এই পদ্ধতিটি তাপ নিরোধক বৈশিষ্ট্যগুলি না হারিয়ে বেশ কয়েকটি পরমাণুতে প্রতিরক্ষামূলক স্তরের বেধ হ্রাস করে উন্নত করা যেতে পারে। গবেষকরা ঠিক তাই করেছেন।

আমরা, অবশ্যই, ন্যানোম্যাটেরিয়াল সম্পর্কে কথা বলছি। যাইহোক, তাপ নিরোধক এ তাদের ব্যবহার পূর্বে এই কারণে জটিল ছিল যে কুল্যান্টের তরঙ্গদৈর্ঘ্য (ফোনন*) ইলেকট্রন বা ফোটনের তুলনায় উল্লেখযোগ্যভাবে ছোট।

ফোনন* - একটি কোয়াসিপার্টিকেল, যা স্ফটিক পরমাণুর কম্পনগত গতির একটি কোয়ান্টাম।

উপরন্তু, ফোননগুলির বোসনিক প্রকৃতির কারণে, তাদের ভোল্টেজ দ্বারা নিয়ন্ত্রণ করা অসম্ভব (যেমনটি চার্জ বাহকের সাথে করা হয়), যা সাধারণত কঠিন পদার্থে তাপ স্থানান্তর নিয়ন্ত্রণ করা কঠিন করে তোলে।

পূর্বে, কঠিন পদার্থের তাপীয় বৈশিষ্ট্য, যেমন গবেষকরা আমাদের মনে করিয়ে দেন, স্ট্রাকচারাল ডিসঅর্ডার এবং উচ্চ ঘনত্বের ইন্টারফেসের কারণে বা শক্তিশালী ফোনন বিক্ষিপ্ততার কারণে সিলিকন এবং জার্মেনিয়াম ন্যানোয়ারের মাধ্যমে ন্যানোলামিনেট ফিল্ম এবং সুপারল্যাটিসের মাধ্যমে নিয়ন্ত্রিত হত।

উপরে বর্ণিত বেশ কয়েকটি তাপ নিরোধক পদ্ধতির জন্য, বিজ্ঞানীরা আত্মবিশ্বাসের সাথে দ্বি-মাত্রিক উপকরণগুলিকে দায়ী করতে প্রস্তুত, যার পুরুত্ব বেশ কয়েকটি পরমাণুর বেশি নয়, যা তাদের পারমাণবিক স্কেলে নিয়ন্ত্রণ করা সহজ করে তোলে। তাদের গবেষণায় তারা ব্যবহার করেছে ভ্যান ডার ওয়ালস (vdW) পারমাণবিকভাবে পাতলা 2D স্তরগুলির সমাবেশ তাদের হেটেরোস্ট্রাকচার জুড়ে খুব উচ্চ তাপীয় প্রতিরোধ অর্জন করতে।

ভ্যান ডের ওয়ালস বাহিনী* — 10-20 kJ/mol শক্তি সহ আন্তঃআণবিক/আন্তঃপরমাণু মিথস্ক্রিয়া বল।

নতুন কৌশলটি 2 nm পুরু SiO2 (সিলিকন ডাই অক্সাইড) স্তরের সাথে তুলনীয় একটি 300 nm পুরু vdW হেটেরোস্ট্রাকচারে তাপ প্রতিরোধের প্রাপ্ত করা সম্ভব করেছে।

এছাড়াও, ভিডিডব্লিউ হেটেরোস্ট্রাকচারের ব্যবহার বিভিন্ন পারমাণবিক ভর ঘনত্ব এবং কম্পন মোড সহ ভিন্ন ভিন্ন XNUMXD মনোলেয়ারগুলির স্তর স্থাপনের মাধ্যমে পারমাণবিক স্তরে তাপীয় বৈশিষ্ট্যগুলির উপর নিয়ন্ত্রণ অর্জন করা সম্ভব করেছে।

সুতরাং, আসুন বিড়ালের কাঁটা টেনে না নিয়ে আসুন এই আশ্চর্যজনক গবেষণার ফলাফলগুলি বিবেচনা করা শুরু করি।

গবেষণার ফল

প্রথমত, আসুন আমরা এই গবেষণায় ব্যবহৃত vdW heterostructureগুলির মাইক্রোস্ট্রাকচারাল এবং অপটিক্যাল বৈশিষ্ট্যগুলির সাথে পরিচিত হই।

ছবি #1

ইমেজ উপর 1a (উপর থেকে নীচে): গ্রাফিন (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 এবং একটি SiO2/Si সাবস্ট্রেট সমন্বিত একটি চার-স্তরের হেটারোস্ট্রাকচারের একটি ক্রস-বিভাগীয় চিত্র দেখায়। একযোগে সব স্তর স্ক্যান করতে, ব্যবহার করুন রমন লেজার* 532 এনএম তরঙ্গদৈর্ঘ্য সহ।

রমন লেজার* - এক ধরনের লেজার যার মধ্যে আলোর পরিবর্ধনের প্রধান প্রক্রিয়া হল রমন বিচ্ছুরণ।

রমন বিক্ষিপ্ত, পরিবর্তে, একটি পদার্থের অণুতে অপটিক্যাল বিকিরণের অস্থিতিশীল বিচ্ছুরণ, যা বিকিরণের ফ্রিকোয়েন্সিতে একটি উল্লেখযোগ্য পরিবর্তনের সাথে থাকে।

হেটেরোস্ট্রাকচারের মাইক্রোস্ট্রাকচারাল, তাপীয় এবং বৈদ্যুতিক একজাতীয়তা নিশ্চিত করার জন্য বেশ কয়েকটি পদ্ধতি ব্যবহার করা হয়েছিল: স্ক্যানিং ট্রান্সমিশন ইলেক্ট্রন মাইক্রোস্কোপি (STEM), ফটোলুমিনেসেন্স স্পেকট্রোস্কোপি (PL), কেলভিন প্রোব মাইক্রোস্কোপি (KPM), স্ক্যানিং থার্মাল মাইক্রোস্কোপি (SThM), পাশাপাশি রমন এবং রমন থার্মোমেট্রি

চিত্র চিত্র 1b লাল বিন্দু দিয়ে চিহ্নিত অবস্থানে একটি SiO2/Si সাবস্ট্রেটে একটি Gr/MoSe2/MoS22/WSe2 হেটেরোস্ট্রাকচারের রামন বর্ণালী দেখায়। এই প্লটটি লেয়ার অ্যারেতে প্রতিটি মনোলেয়ারের স্বাক্ষর দেখায়, সেইসাথে Si সাবস্ট্রেটের স্বাক্ষরও।

মধ্যে 1c-1f Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 হেটেরোস্ট্রাকচারের অন্ধকার-ক্ষেত্রের স্টেম চিত্রগুলি দেখানো হয়েছে (1s) এবং Gr/MoS2/WSe22 হেটারোস্ট্রাকচার (1d-1f) বিভিন্ন জালি অভিযোজন সহ। STEM চিত্রগুলি কোনও দূষণ ছাড়াই পারমাণবিকভাবে বন্ধ vdW ফাঁকগুলি দেখায়, এই হেটারোস্ট্রাকচারগুলির সামগ্রিক বেধকে সম্পূর্ণরূপে দৃশ্যমান করার অনুমতি দেয়। ফটোলুমিনেসেন্স (পিএল) স্পেকট্রোস্কোপি (পিএল) ব্যবহার করে বড় স্ক্যানিং এলাকায় ইন্টারলেয়ার কাপলিংয়ের উপস্থিতিও নিশ্চিত করা হয়েছিল।1g) হেটেরোস্ট্রাকচারের অভ্যন্তরে পৃথক স্তরগুলির ফটোলুমিনেসেন্ট সংকেত একটি বিচ্ছিন্ন মনোলেয়ারের সংকেতের তুলনায় উল্লেখযোগ্যভাবে দমন করা হয়। এটি ঘনিষ্ঠ ইন্টারলেয়ার মিথস্ক্রিয়ার কারণে ইন্টারলেয়ার চার্জ স্থানান্তরের প্রক্রিয়া দ্বারা ব্যাখ্যা করা হয়েছে, যা অ্যানিলিংয়ের পরে আরও শক্তিশালী হয়ে ওঠে।

ছবি #2

হেটেরোস্ট্রাকচারের পারমাণবিক সমতলগুলিতে লম্বভাবে তাপ প্রবাহ পরিমাপ করার জন্য, স্তরগুলির বিন্যাস চার-প্রোবের বৈদ্যুতিক ডিভাইসের আকারে গঠন করা হয়েছিল। গ্রাফিনের উপরের স্তরটি প্যালাডিয়াম (Pd) ইলেক্ট্রোডের সাথে যোগাযোগ করে এবং রামন থার্মোমেট্রি পরিমাপের জন্য হিটার হিসাবে ব্যবহৃত হয়।

এই বৈদ্যুতিক গরম করার পদ্ধতিটি ইনপুট পাওয়ারের সুনির্দিষ্ট পরিমাপ প্রদান করে। আরেকটি সম্ভাব্য গরম করার পদ্ধতি, অপটিক্যাল, পৃথক স্তরের শোষণ সহগ সম্পর্কে অজ্ঞতার কারণে বাস্তবায়ন করা আরও কঠিন হবে।

মধ্যে 2a একটি চার-প্রোব পরিমাপ সার্কিট দেখায়, এবং 2b পরীক্ষিত কাঠামোর একটি শীর্ষ দৃশ্য দেখায়। সময়সূচী 2s তিনটি ডিভাইসের জন্য মাপা তাপ স্থানান্তর বৈশিষ্ট্য দেখায়, একটিতে শুধুমাত্র গ্রাফিন রয়েছে এবং দুটিতে Gr/WSe22 এবং Gr/MoSe2/WSe22 স্তর অ্যারে রয়েছে। সমস্ত রূপগুলি গ্রাফিনের অ্যাম্বিপোলার আচরণ প্রদর্শন করে, যা একটি ব্যান্ড গ্যাপের অনুপস্থিতির সাথে যুক্ত।

এটিও পাওয়া গেছে যে বর্তমান পরিবাহিতা এবং উত্তাপ উপরের স্তরে (গ্রাফিন) ঘটে, যেহেতু এর বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা MoS2 এবং WSe22 এর চেয়ে অনেক বেশি মাত্রার।

পরীক্ষিত ডিভাইসগুলির একজাতীয়তা প্রদর্শনের জন্য, কেলভিন প্রোব মাইক্রোস্কোপি (কেপিএম) এবং স্ক্যানিং তাপীয় মাইক্রোস্কোপি (এসটিএইচএম) ব্যবহার করে পরিমাপ নেওয়া হয়েছিল। চার্টে 2d রৈখিক সম্ভাব্য বন্টন প্রকাশ করে KPM পরিমাপ প্রদর্শিত হয়। SThM বিশ্লেষণের ফলাফল দেখানো হয়েছে 2e. এখানে আমরা বৈদ্যুতিকভাবে উত্তপ্ত Gr/MoS2/WSe22 চ্যানেলগুলির একটি মানচিত্র দেখতে পাচ্ছি, সেইসাথে পৃষ্ঠের উত্তাপে অভিন্নতার উপস্থিতি।

উপরে বর্ণিত স্ক্যানিং কৌশলগুলি, বিশেষ করে SThM, অধ্যয়নের অধীনে কাঠামোর একজাততা নিশ্চিত করেছে, অর্থাৎ তাপমাত্রার পরিপ্রেক্ষিতে এর একজাততা। পরবর্তী পদক্ষেপটি ছিল রমন বর্ণালী (অর্থাৎ, রমন বর্ণালী) ব্যবহার করে প্রতিটি উপাদান স্তরের তাপমাত্রা পরিমাপ করা।

তিনটি ডিভাইসই পরীক্ষা করা হয়েছিল, প্রতিটির ক্ষেত্রফল ~40 µm2। এই ক্ষেত্রে, হিটারের শক্তি 9 mW দ্বারা পরিবর্তিত হয়েছে, এবং শোষিত লেজার শক্তি ~5 μm0.5 লেজার স্পট এলাকা সহ ~2 μW এর নিচে ছিল।

ছবি #3

চার্টে 3a Gr/MoS2/WSe22 হেটেরোস্ট্রাকচারে হিটার পাওয়ার বৃদ্ধির সাথে সাথে প্রতিটি স্তর এবং সাবস্ট্রেটের তাপমাত্রা বৃদ্ধি (∆T) দৃশ্যমান হয়।

প্রতিটি উপাদানের (স্তর) জন্য রৈখিক ফাংশনের ঢাল পৃথক স্তর এবং তাপ সিঙ্কের মধ্যে তাপ প্রতিরোধের (Rth=∆T/P) নির্দেশ করে। এলাকার উপর গরম করার অভিন্ন বন্টন দেওয়া হলে, তাপ প্রতিরোধকগুলি নীচে থেকে উপরের স্তরে সহজেই বিশ্লেষণ করা যেতে পারে, যার সময় চ্যানেল এলাকা (WL) দ্বারা তাদের মান স্বাভাবিক করা হয়।

L এবং W হল চ্যানেলের দৈর্ঘ্য এবং প্রস্থ, যা SiO2 সাবস্ট্রেটের পুরুত্ব এবং পার্শ্বীয় তাপীয় উত্তাপের দৈর্ঘ্যের চেয়ে উল্লেখযোগ্যভাবে বেশি, যা ~0.1 μm।

অতএব, আমরা Si সাবস্ট্রেটের তাপীয় প্রতিরোধের সূত্রটি বের করতে পারি, যা দেখতে এইরকম হবে:

Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kসি)

এই পরিস্থিতিতে kSi ≈ 90 W m−1 K−1, যা এই ধরনের একটি উচ্চ ডোপড সাবস্ট্রেটের প্রত্যাশিত তাপ পরিবাহিতা।

Rth,WSe2 এবং Rth,Si-এর মধ্যে পার্থক্য হল 2 nm পুরু SiO100 এর তাপীয় রোধ এবং WSe2/SiO2 ইন্টারফেসের তাপীয় সীমানা প্রতিরোধের (TBR) সমষ্টি।

উপরের সমস্ত দিকগুলিকে একসাথে রেখে, আমরা Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, এবং Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2 স্থাপন করতে পারি। অতএব, গ্রাফ থেকে 3a প্রতিটি WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 এবং Gr/MoS2 ইন্টারফেসের জন্য TBR মান বের করা সম্ভব।

এরপরে, বিজ্ঞানীরা রামন স্পেকট্রোস্কোপি এবং তাপীয় মাইক্রোস্কোপি (3b).

SiO2 এর বিলেয়ার এবং ট্রাইলেয়ার হেটেরোস্ট্রাকচারগুলি ঘরের তাপমাত্রায় 220 থেকে 280 m2 K/GW পরিসরে কার্যকর তাপীয় প্রতিরোধের প্রদর্শন করেছে, যা 2 থেকে 290 nm পুরুত্বের SiO360 এর তাপীয় প্রতিরোধের সমতুল্য। অধ্যয়নের অধীনে হেটারোস্ট্রাকচারের পুরুত্ব 2 এনএম অতিক্রম না হওয়া সত্ত্বেও (1d-1f), ঘরের তাপমাত্রায় তাদের তাপ পরিবাহিতা 0.007-0.009 W m−1 K−1।

ছবি #4

চিত্র 4 চারটি কাঠামোর পরিমাপ এবং তাদের ইন্টারফেসের তাপীয় সীমা পরিবাহিতা (TBC) দেখায়, যা আমাদের পূর্বে পরিমাপ করা তাপীয় প্রতিরোধের (TBC = 1 / TBR) উপর প্রতিটি স্তরের প্রভাবের মাত্রা মূল্যায়ন করতে দেয়।

গবেষকরা উল্লেখ করেছেন যে এটি পৃথক মনোলেয়ার (2D/2D), বিশেষত WSe2 এবং SiO2 মনোলেয়ারগুলির মধ্যে পারমাণবিকভাবে ঘনিষ্ঠ ইন্টারফেসের জন্য প্রথম টিবিসি পরিমাপ।

একটি monolayer WSe2/SiO2 ইন্টারফেসের TBC একটি মাল্টিলেয়ার WSe2/SiO2 ইন্টারফেসের তুলনায় কম, যা আশ্চর্যজনক কিছু নয় কারণ monolayer-এ উল্লেখযোগ্যভাবে কম নমন ফোনন মোড রয়েছে যা সংক্রমণের জন্য উপলব্ধ। সহজ কথায়, 2D স্তরের মধ্যে ইন্টারফেসের TBC 2D স্তর এবং 3D SiO2 সাবস্ট্রেটের মধ্যে ইন্টারফেসের TBC থেকে কম।4b).

অধ্যয়নের সূক্ষ্মতার সাথে আরও বিশদ পরিচিতির জন্য, আমি এটি দেখার পরামর্শ দিই বিজ্ঞানীরা রিপোর্ট করেন и অতিরিক্ত উপকরণ তাকে.

উপসংহার

এই গবেষণা, যেমন বিজ্ঞানীরা নিজেরাই দাবি করেন, আমাদের এমন জ্ঞান দেয় যা পারমাণবিক তাপীয় ইন্টারফেসের বাস্তবায়নে প্রয়োগ করা যেতে পারে। এই কাজটি তাপ-অন্তরক মেটাম্যাটেরিয়াল তৈরি করার সম্ভাবনা দেখিয়েছে যার বৈশিষ্ট্য প্রকৃতিতে পাওয়া যায় না। উপরন্তু, গবেষণাটি স্তরগুলির পারমাণবিক স্কেল থাকা সত্ত্বেও এই ধরনের কাঠামোর সঠিক তাপমাত্রা পরিমাপ করার সম্ভাবনাকে নিশ্চিত করেছে।

উপরে বর্ণিত হেটেরোস্ট্রাকচারগুলি অতি-আলো এবং কমপ্যাক্ট তাপীয় "ঢাল" এর ভিত্তি হয়ে উঠতে পারে, উদাহরণস্বরূপ, ইলেকট্রনিক্সের হট স্পট থেকে তাপ অপসারণ করতে সক্ষম। উপরন্তু, এই প্রযুক্তিটি থার্মোইলেকট্রিক জেনারেটর বা তাপ নিয়ন্ত্রিত ডিভাইসে ব্যবহার করা যেতে পারে, তাদের কর্মক্ষমতা বৃদ্ধি করে।

এই অধ্যয়নটি আবারও নিশ্চিত করে যে আধুনিক বিজ্ঞান "একটি থিম্বলে দক্ষতা" নীতিতে গুরুত্ব সহকারে আগ্রহী, যা গ্রহের সীমিত সংস্থান এবং সমস্ত ধরণের প্রযুক্তিগত উদ্ভাবনের চাহিদার ক্রমাগত বৃদ্ধির কারণে একটি বোকা ধারণা বলা যায় না।

আপনার মনোযোগের জন্য আপনাকে ধন্যবাদ, কৌতূহলী থাকুন এবং সবার জন্য একটি দুর্দান্ত সপ্তাহ কাটুক! 🙂

আমাদের সাথে থাকার জন্য আপনাকে ধন্যবাদ. আপনি আমাদের নিবন্ধ পছন্দ করেন? আরো আকর্ষণীয় বিষয়বস্তু দেখতে চান? অর্ডার দিয়ে বা বন্ধুদের সুপারিশ করে আমাদের সমর্থন করুন, এন্ট্রি-লেভেল সার্ভারের একটি অনন্য অ্যানালগ-এ Habr ব্যবহারকারীদের জন্য 30% ছাড়, যা আপনার জন্য আমাদের দ্বারা উদ্ভাবিত হয়েছে: VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 কোর) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps থেকে $20 বা কিভাবে একটি সার্ভার শেয়ার করবেন সম্পর্কে সম্পূর্ণ সত্য? (RAID1 এবং RAID10 এর সাথে উপলব্ধ, 24 কোর পর্যন্ত এবং 40GB DDR4 পর্যন্ত)।

Dell R730xd 2 গুণ সস্তা? শুধু এখানে 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 টিভি $199 থেকে নেদারল্যান্ডে! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - $99 থেকে! সম্পর্কে পড়ুন কিভাবে ইনফ্রাস্ট্রাকচার কর্পোরেশন তৈরি করা যায়। এক পয়সার জন্য 730 ইউরো মূল্যের Dell R5xd E2650-4 v9000 সার্ভার ব্যবহার করে ক্লাস?

উত্স: www.habr.com