Mnogi igrači širom svijeta koji su iskusili Xbox 360 eru vrlo su upoznati sa situacijom kada se njihova konzola pretvorila u tiganj na kojem su mogli pržiti jaja. Slična tužna situacija se dešava ne samo sa igraćim konzolama, već i sa telefonima, laptopima, tabletima i još mnogo toga. U principu, gotovo svaki elektronski uređaj može doživjeti termalni šok, koji može dovesti ne samo do njegovog kvara i uznemirenja vlasnika, već i do „lošeg buma“ baterije i ozbiljnih ozljeda. Danas ćemo se upoznati sa studijom u kojoj su naučnici sa Univerziteta Stanford, poput Nicka Furyja iz stripa, napravili štit koji štiti elektronske dijelove osjetljive na toplinu od pregrijavanja i kao rezultat toga sprječava njihov kvar. Kako su naučnici uspjeli stvoriti termalni štit, koje su njegove glavne komponente i koliko je efikasan? O ovome i više saznajemo iz izvještaja istraživačke grupe. Idi.
Osnova istraživanja
Problem pregrijavanja poznat je odavno, a naučnici ga rješavaju na razne načine. Neki od najpopularnijih su upotreba stakla, plastike, pa čak i slojeva zraka, koji služe kao svojevrsni izolatori toplinskog zračenja. U modernim stvarnostima, ova metoda se može poboljšati smanjenjem debljine zaštitnog sloja na nekoliko atoma bez gubitka njegovih termoizolacijskih svojstava. To je upravo ono što su istraživači uradili.
Naravno, govorimo o nanomaterijalima. Međutim, njihova upotreba u toplinskoj izolaciji ranije je bila komplicirana činjenicom da je valna dužina rashladnih tekućina (fononi*) je znatno kraći od elektrona ili fotona.
fonon* - kvazičestica, koja je kvant vibracionog kretanja kristalnih atoma.
Osim toga, zbog bozonske prirode fonona, nemoguće ih je kontrolisati naponom (kao što se radi sa nosiocima naboja), što općenito otežava kontrolu prijenosa topline u čvrstim tvarima.
Ranije su termička svojstva čvrstih materija, kako nas podsjećaju istraživači, kontrolirana putem nanolaminatnih filmova i superrešetka zbog strukturnog poremećaja i sučelja velike gustoće, ili putem silikonskih i germanijskih nanožica zbog jakog raspršenja fonona.
Brojnim gore opisanim metodama toplinske izolacije, znanstvenici su s povjerenjem spremni pripisati dvodimenzionalne materijale čija debljina ne prelazi nekoliko atoma, što ih čini lakim za kontrolu na atomskoj skali. U svojoj studiji koristili su van der Waals (vdW) montaža atomski tankih 2D slojeva kako bi se postigla vrlo visoka toplinska otpornost kroz njihovu heterostrukturu.
Van der Waalsove snage* — sile intermolekularne/interatomske interakcije sa energijom od 10-20 kJ/mol.
Nova tehnika je omogućila da se dobije toplotna otpornost u vdW heterostrukturi debljine 2 nm koja se može uporediti sa onom u sloju SiO2 (silicijum dioksida) debljine 300 nm.
Pored toga, upotreba vdW heterostruktura je omogućila da se dobije kontrola nad termičkim svojstvima na atomskom nivou kroz slojeve heterogenih XNUMXD monoslojeva sa različitim gustinama atomske mase i vibracionim modovima.
Dakle, nemojmo vući mačku za brkove i počnimo razmatrati rezultate ovog nevjerovatnog istraživanja.
Rezultati studije
Prije svega, upoznajmo se s mikrostrukturnim i optičkim karakteristikama vdW heterostruktura korištenih u ovoj studiji.
Slika #1
Na slici 1a prikazuje dijagram poprečnog presjeka četveroslojne heterostrukture koja se sastoji od (od vrha do dna): grafena (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 i SiO2/Si supstrata. Za skeniranje svih slojeva istovremeno, koristite Raman laser* sa talasnom dužinom od 532 nm.
Raman laser* - vrsta lasera u kojoj je glavni mehanizam pojačanja svjetlosti Ramanovo raspršivanje.
Ramansko rasipanje, zauzvrat, je neelastično raspršivanje optičkog zračenja na molekulima tvari, što je praćeno značajnom promjenom frekvencije zračenja.
Korišteno je nekoliko metoda da se potvrdi mikrostrukturna, termička i električna homogenost heterostruktura: skenirajuća transmisiona elektronska mikroskopija (STEM), fotoluminiscencijska spektroskopija (PL), mikroskopija Kelvin sondom (KPM), skenirajuća termalna mikroskopija (SThM), kao i Ramanova spektroskopija i termometrija .
Image Image 1b prikazuje nam Raman spektar heterostrukture Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 na SiO2/Si supstratu na mjestu označenom crvenom tačkom. Ovaj grafikon prikazuje potpis svakog monosloja u nizu slojeva, kao i potpis Si supstrata.
U 1c-1f Prikazane su STEM slike tamnog polja heterostrukture Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 (1c) i heterostrukture Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) sa različitim orijentacijama rešetke. STEM slike pokazuju atomski bliske vdW praznine bez ikakve kontaminacije, što omogućava da ukupna debljina ovih heterostruktura bude u potpunosti vidljiva. Prisustvo međuslojnog spajanja je također potvrđeno na velikim površinama skeniranja pomoću fotoluminiscentne (PL) spektroskopije (1g). Fotoluminiscentni signal pojedinačnih slojeva unutar heterostrukture značajno je potisnut u poređenju sa signalom izolovanog monosloja. Ovo se objašnjava procesom međuslojnog prijenosa naboja zbog bliske međuslojne interakcije, koja postaje još jača nakon žarenja.
Slika #2
Kako bi se izmjerio protok topline okomit na atomske ravnine heterostrukture, niz slojeva je strukturiran u obliku električnih uređaja sa četiri sonde. Gornji sloj grafena je u kontaktu s paladijumskim (Pd) elektrodama i koristi se kao grijač za mjerenja Raman termometrije.
Ova metoda električnog grijanja omogućava preciznu kvantifikaciju ulazne snage. Drugi mogući način grijanja, optički, bio bi teže implementiran zbog nepoznavanja koeficijenata apsorpcije pojedinih slojeva.
U 2a prikazuje mjerni krug sa četiri sonde, i 2b prikazuje pogled odozgo na konstrukciju koja se testira. Raspored 2c prikazuje izmjerene karakteristike prijenosa topline za tri uređaja, jedan koji sadrži samo grafen i dva koja sadrže nizove slojeva Gr/WSe22 i Gr/MoSe2/WSe22. Sve varijante pokazuju ambipolarno ponašanje grafena, koje je povezano s odsustvom pojasnog pojasa.
Također je utvrđeno da se strujna provodljivost i zagrijavanje javljaju u gornjem sloju (grafenu), jer je njegova električna provodljivost nekoliko redova veličine veća od one kod MoS2 i WSe22.
Kako bi se demonstrirala homogenost testiranih uređaja, mjerenja su izvršena pomoću mikroskopije Kelvin sonde (KPM) i skenirajuće termalne mikroskopije (SThM). Na grafikonu 2d Prikazuju se KPM mjerenja otkrivajući linearnu raspodjelu potencijala. Rezultati SThM analize su prikazani u 2s. Ovdje vidimo mapu električno grijanih Gr/MoS2/WSe22 kanala, kao i prisustvo uniformnosti u površinskom grijanju.
Gore opisane tehnike skeniranja, posebno SThM, potvrdile su homogenost proučavane strukture, odnosno njenu homogenost u pogledu temperatura. Sljedeći korak bio je kvantificiranje temperature svakog od sastavnih slojeva korištenjem Ramanove spektroskopije (tj. Ramanove spektroskopije).
Sva tri uređaja su testirana, svaki sa površinom od ~40 µm2. U ovom slučaju se snaga grijača promijenila za 9 mW, a apsorbirana snaga lasera je bila ispod ~5 μW sa površinom laserske mrlje od ~0.5 μm2.
Slika #3
Na grafikonu 3a povećanje temperature (∆T) svakog sloja i podloge je vidljivo kako se povećava snaga grijača u heterostrukturi Gr/MoS2/WSe22.
Nagibi linearne funkcije za svaki materijal (sloj) pokazuju toplinski otpor (Rth=∆T/P) između pojedinačnog sloja i hladnjaka. S obzirom na ujednačenu distribuciju grijanja po površini, toplinski otpori se lako mogu analizirati od donjeg prema gornjem sloju, pri čemu se njihove vrijednosti normaliziraju površinom kanala (WL).
L i W su dužina i širina kanala, koje su znatno veće od debljine SiO2 supstrata i bočne dužine termičkog zagrijavanja, koja iznosi ~0.1 μm.
Stoga možemo izvesti formulu za toplinski otpor Si supstrata, koja će izgledati ovako:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2ksi)
U ovoj situaciji kSi ≈ 90 W m−1 K−1, što je očekivana toplotna provodljivost tako visoko dopirane podloge.
Razlika između Rth,WSe2 i Rth,Si je zbir toplotnog otpora SiO2 debljine 100 nm i toplotnog graničnog otpora (TBR) interfejsa WSe2/SiO2.
Stavljajući sve gore navedene aspekte zajedno, možemo utvrditi da je Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, i Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Dakle, iz grafa 3a moguće je izdvojiti TBR vrijednost za svaki od WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 i Gr/MoS2 interfejsa.
Zatim su naučnici uporedili ukupnu toplotnu otpornost svih heterostruktura, merenu Ramanovom spektroskopijom i termalnom mikroskopom (3b).
Dvoslojne i troslojne heterostrukture na SiO2 su pokazale efektivnu toplotnu otpornost u rasponu od 220 do 280 m2 K/GW na sobnoj temperaturi, što je ekvivalentno toplotnoj otpornosti SiO2 debljine od 290 do 360 nm. Uprkos činjenici da debljina heterostruktura koje se proučavaju ne prelazi 2 nm (1d-1f), njihova toplotna provodljivost je 0.007-0.009 W m−1 K−1 na sobnoj temperaturi.
Slika #4
Slika 4 prikazuje mjerenja sve četiri strukture i termičke granične provodljivosti (TBC) njihovih sučelja, što nam omogućava da procijenimo stepen uticaja svakog sloja na prethodno izmereni toplotni otpor (TBC = 1 / TBR).
Istraživači napominju da je ovo prvo TBC mjerenje za atomski bliske međuslojeve između odvojenih monoslojeva (2D/2D), posebno između monoslojeva WSe2 i SiO2.
TBC jednoslojnog WSe2/SiO2 interfejsa je niži nego kod višeslojnog WSe2/SiO2 interfejsa, što nije iznenađujuće budući da jednoslojni ima znatno manje savijajućih fononskih modova dostupnih za prenos. Jednostavno rečeno, TBC interfejsa između 2D slojeva je niži od TBC interfejsa između 2D sloja i 3D SiO2 supstrata (4b).
Za detaljnije upoznavanje sa nijansama studije, preporučujem da pogledate и za njega.
Epilog
Ovo istraživanje, kako sami naučnici tvrde, daje nam znanje koje se može primeniti u implementaciji atomskih termičkih interfejsa. Ovaj rad je pokazao mogućnost stvaranja toplotnoizolacijskih metamaterijala čija svojstva nema u prirodi. Osim toga, studija je potvrdila i mogućnost izvođenja preciznih temperaturnih mjerenja takvih struktura, uprkos atomskoj skali slojeva.
Gore opisane heterostrukture mogu postati osnova za ultra-lake i kompaktne termalne "štitove", sposobne, na primjer, za uklanjanje topline iz vrućih tačaka u elektronici. Osim toga, ova tehnologija se može koristiti u termoelektričnim generatorima ili termički kontroliranim uređajima, povećavajući njihove performanse.
Ova studija još jednom potvrđuje da je moderna nauka ozbiljno zainteresovana za princip „efikasnosti u naprstku“, što se ne može nazvati glupom idejom, s obzirom na ograničene resurse planete i kontinuirani rast potražnje za svim vrstama tehnoloških inovacija.
Hvala vam na pažnji, budite radoznali i ugodnu sedmicu svima! 🙂
Hvala vam što ste ostali s nama. Da li vam se sviđaju naši članci? Želite li vidjeti još zanimljivijeg sadržaja? Podržite nas naručivanjem ili preporukom prijateljima, 30% popusta za korisnike Habra na jedinstveni analog početnih servera, koji smo mi osmislili za vas: (dostupno sa RAID1 i RAID10, do 24 jezgra i do 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 puta jeftiniji? Samo ovdje u Holandiji! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - od 99 USD! Pročitajte o
izvor: www.habr.com