Molts jugadors d'arreu del món que van viure l'era de Xbox 360 estan molt familiaritzats amb la situació en què la seva consola es va convertir en una paella on podien fregir ous. Una situació trista semblant es produeix no només amb les consoles de jocs, sinó també amb telèfons, ordinadors portàtils, tauletes i molt més. En principi, gairebé qualsevol dispositiu electrònic pot experimentar un xoc tèrmic, que pot provocar no només el fracàs i el malestar del seu propietari, sinó també el "boom dolent" de la bateria i lesions greus. Avui coneixerem un estudi en què científics de la Universitat de Stanford, com Nick Fury dels còmics, han creat un escut que protegeix les peces electròniques sensibles a la calor del sobreescalfament i, com a resultat, n'evita la descomposició. Com van aconseguir els científics crear un escut tèrmic, quins són els seus components principals i quina eficàcia és? D'això i més en coneixem l'informe del grup de recerca. Vés.
Base de recerca
El problema del sobreescalfament es coneix des de fa molt de temps i els científics el resolen de diverses maneres. Alguns dels més populars són l'ús de vidre, plàstic i fins i tot capes d'aire, que serveixen com una mena d'aïllants de la radiació tèrmica. En realitats modernes, aquest mètode es pot millorar reduint el gruix de la capa protectora a diversos àtoms sense perdre les seves propietats d'aïllament tèrmic. Això és exactament el que van fer els investigadors.
Evidentment, estem parlant de nanomaterials. Tanmateix, el seu ús en aïllament tèrmic es va complicar anteriorment pel fet que la longitud d'ona dels refrigerants (fonons*) és significativament més curta que la dels electrons o fotons.
Telèfon* - una quasipartícula, que és un quàntic del moviment vibracional dels àtoms de cristall.
A més, a causa de la naturalesa bosònica dels fonons, és impossible controlar-los per tensió (com es fa amb els portadors de càrrega), cosa que generalment dificulta el control de la transferència de calor en sòlids.
Anteriorment, les propietats tèrmiques dels sòlids, tal com ens recorden els investigadors, es controlaven a través de pel·lícules de nanolaminat i supergelos a causa del desordre estructural i les interfícies d'alta densitat, o mitjançant nanofils de silici i germani a causa de la forta dispersió de fonons.
A diversos mètodes d'aïllament tèrmic descrits anteriorment, els científics estan preparats amb confiança per atribuir materials bidimensionals, el gruix dels quals no supera diversos àtoms, cosa que els fa fàcils de controlar a escala atòmica. En el seu estudi van utilitzar van der Waals (vdW) muntatge de capes 2D atòmicament primes per aconseguir una resistència tèrmica molt elevada en tota la seva heteroestructura.
Forces de Van der Waals* — Forces d'interacció intermolecular/interatòmica amb una energia de 10-20 kJ/mol.
La nova tècnica va permetre obtenir una resistència tèrmica en una heteroestructura vdW de 2 nm de gruix comparable a la d'una capa de SiO2 (diòxid de silici) de 300 nm de gruix.
A més, l'ús d'heteroestructures vdW ha permès controlar les propietats tèrmiques a nivell atòmic mitjançant la superposició de monocapes XNUMXD heterogènies amb diferents densitats de massa atòmica i modes vibracionals.
Per tant, no estirem els bigotis del gat i comencem a considerar els resultats d'aquesta increïble investigació.
Resultats de l'estudi
En primer lloc, familiaritzem-nos amb les característiques microestructurals i òptiques de les heteroestructures vdW utilitzades en aquest estudi.
Imatge #1
A la imatge 1a mostra un diagrama de secció transversal d'una heteroestructura de quatre capes formada per (de dalt a baix): grafè (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 i un substrat SiO2/Si. Per escanejar totes les capes simultàniament, feu servir làser Raman* amb una longitud d'ona de 532 nm.
làser Raman* - un tipus de làser en el qual el mecanisme principal d'amplificació de la llum és la dispersió Raman.
Dispersió Raman, al seu torn, és la dispersió inelàstica de la radiació òptica sobre les molècules d'una substància, que va acompanyada d'un canvi significatiu en la freqüència de la radiació.
Es van utilitzar diversos mètodes per confirmar l'homogeneïtat microestructural, tèrmica i elèctrica de les heteroestructures: microscòpia electrònica de transmissió d'escaneig (STEM), espectroscòpia de fotoluminescència (PL), microscòpia de sonda Kelvin (KPM), microscòpia tèrmica d'escaneig (SThM), així com espectroscòpia Raman i termometria.
Изображение 1b ens mostra l'espectre Raman d'una heteroestructura Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 sobre un substrat SiO2/Si a la ubicació marcada amb un punt vermell. Aquesta gràfica mostra la signatura de cada monocapa a la matriu de capes, així com la signatura del substrat de Si.
En 1c-1f Es mostren imatges STEM de camp fosc de l'heteroestructura Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 (1 s) i heteroestructures Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) amb diferents orientacions de gelosia. Les imatges STEM mostren buits vdW tancats atòmicament sense cap contaminació, cosa que permet que el gruix total d'aquestes heteroestructures sigui totalment visible. La presència d'acoblament entre capes també es va confirmar en grans àrees d'escaneig mitjançant espectroscòpia de fotoluminescència (PL) (1g). El senyal fotoluminescent de capes individuals dins de l'heteroestructura es suprimeix significativament en comparació amb el senyal d'una monocapa aïllada. Això s'explica pel procés de transferència de càrrega entre capes a causa d'una estreta interacció entre capes, que es fa encara més fort després del recuit.
Imatge #2
Per mesurar el flux de calor perpendicular als plans atòmics de l'heteroestructura, la matriu de capes es va estructurar en forma de dispositius elèctrics de quatre sondes. La capa superior de grafè entra en contacte amb els elèctrodes de pal·ladi (Pd) i s'utilitza com a escalfador per a mesures de termometria Raman.
Aquest mètode de calefacció elèctrica proporciona una quantificació precisa de la potència d'entrada. Un altre mètode d'escalfament possible, òptic, seria més difícil d'implementar pel desconeixement dels coeficients d'absorció de les capes individuals.
En 2a mostra un circuit de mesura de quatre sondes, i 2b mostra una vista superior de l'estructura que s'està provant. Horari 2 s mostra les característiques de transferència de calor mesurades per a tres dispositius, un que només conté grafè i dos que contenen matrius de capes Gr/WSe22 i Gr/MoSe2/WSe22. Totes les variants demostren un comportament ambipolar del grafè, que s'associa amb l'absència d'un interval de banda.
També es va trobar que la conducció i l'escalfament del corrent es produeixen a la capa superior (grafè), ja que la seva conductivitat elèctrica és diversos ordres de magnitud superior a la de MoS2 i WSe22.
Per demostrar l'homogeneïtat dels dispositius provats, es van prendre mesures mitjançant microscòpia de sonda Kelvin (KPM) i microscòpia tèrmica d'escaneig (SThM). Al gràfic 2d Es mostren les mesures de KPM revelant la distribució de potencial lineal. Els resultats de l'anàlisi SThM es mostren a 2. Aquí veiem un mapa de canals Gr/MoS2/WSe22 escalfats elèctricament, així com la presència d'uniformitat en l'escalfament superficial.
Les tècniques d'escaneig descrites anteriorment, en particular SThM, van confirmar l'homogeneïtat de l'estructura en estudi, és a dir, la seva homogeneïtat, en termes de temperatures. El següent pas va ser quantificar la temperatura de cadascuna de les capes constituents mitjançant espectroscòpia Raman (és a dir, espectroscòpia Raman).
Es van provar els tres dispositius, cadascun amb una àrea de ~40 µm2. En aquest cas, la potència de l'escalfador va canviar en 9 mW i la potència del làser absorbida va ser inferior a ~ 5 μW amb una àrea de punt làser de ~ 0.5 μm2.
Imatge #3
Al gràfic 3a un augment de la temperatura (∆T) de cada capa i substrat és visible a mesura que augmenta la potència de l'escalfador a l'heteroestructura Gr/MoS2/WSe22.
Els pendents de la funció lineal per a cada material (capa) indiquen la resistència tèrmica (Rth=∆T/P) entre la capa individual i el dissipador de calor. Donada la distribució uniforme de l'escalfament a la zona, les resistències tèrmiques es poden analitzar fàcilment des de la capa inferior fins a la superior, durant la qual els seus valors es normalitzen per l'àrea del canal (WL).
L i W són la longitud i l'amplada del canal, que són significativament més grans que el gruix del substrat de SiO2 i la longitud d'escalfament tèrmic lateral, que és de ~ 0.1, XNUMX μm.
Per tant, podem derivar la fórmula per a la resistència tèrmica del substrat de Si, que tindrà aquest aspecte:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
En aquesta situació kSi ≈ 90 W m−1 K−1, que és la conductivitat tèrmica esperada d'un substrat tan dopat.
La diferència entre Rth,WSe2 i Rth,Si és la suma de la resistència tèrmica de SiO2 de 100 nm de gruix i la resistència al límit tèrmic (TBR) de la interfície WSe2/SiO2.
Ajuntant tots els aspectes anteriors, podem establir que Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2 i Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Per tant, a partir del gràfic 3a és possible extreure el valor de TBR per a cadascuna de les interfícies WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 i Gr/MoS2.
A continuació, els científics van comparar la resistència tèrmica total de totes les heteroestructures, mesurada mitjançant espectroscòpia Raman i microscòpia tèrmica (3b).
Les heteroestructures bicapa i tricapa sobre SiO2 van mostrar una resistència tèrmica efectiva en el rang de 220 a 280 m2 K/GW a temperatura ambient, que és equivalent a la resistència tèrmica de SiO2 amb un gruix de 290 a 360 nm. Tot i que el gruix de les heteroestructures en estudi no supera els 2 nm (1d-1f), la seva conductivitat tèrmica és de 0.007-0.009 W m−1 K−1 a temperatura ambient.
Imatge #4
La imatge 4 mostra les mesures de les quatre estructures i la conductivitat del límit tèrmic (TBC) de les seves interfícies, la qual cosa ens permet avaluar el grau d'influència de cada capa sobre la resistència tèrmica mesurada prèviament (TBC = 1 / TBR).
Els investigadors assenyalen que aquesta és la primera mesura de TBC per a interfícies atòmicament properes entre monocapes separades (2D/2D), específicament entre monocapes WSe2 i SiO2.
El TBC d'una interfície monocapa WSe2/SiO2 és inferior al d'una interfície multicapa WSe2/SiO2, cosa que no és sorprenent, ja que la monocapa té molt menys modes de flexió de fonons disponibles per a la transmissió. En poques paraules, el TBC de la interfície entre capes 2D és inferior al TBC de la interfície entre la capa 2D i el substrat de SiO3 2D (4b).
Per a un coneixement més detallat dels matisos de l'estudi, recomano mirar и A ell.
Epíleg
Aquesta investigació, com afirmen els mateixos científics, ens aporta un coneixement que es pot aplicar en la implementació d'interfícies tèrmiques atòmiques. Aquest treball va mostrar la possibilitat de crear metamaterials termoaïllants les propietats dels quals no es troben a la natura. A més, l'estudi també va confirmar la possibilitat de realitzar mesures precises de temperatura d'aquestes estructures, malgrat l'escala atòmica de les capes.
Les heteroestructures descrites anteriorment poden convertir-se en la base de "escuts" tèrmics compactes i ultralleugers, capaços, per exemple, d'eliminar la calor dels punts calents de l'electrònica. A més, aquesta tecnologia es pot utilitzar en generadors termoelèctrics o dispositius de control tèrmic, augmentant el seu rendiment.
Aquest estudi confirma una vegada més que la ciència moderna està seriosament interessada en el principi d'"eficiència en un didal", que no es pot anomenar una idea estúpida, atesos els recursos limitats del planeta i el creixement continu de la demanda de tot tipus d'innovacions tecnològiques.
Gràcies per la vostra atenció, sigueu curiosos i que passeu una bona setmana a tots! 🙂
Gràcies per quedar-te amb nosaltres. T'agraden els nostres articles? Vols veure més contingut interessant? Doneu-nos suport fent una comanda o recomanant als amics, 30% de descompte per als usuaris d'Habr en un únic anàleg de servidors d'entrada, que hem inventat per a tu: (disponible amb RAID1 i RAID10, fins a 24 nuclis i fins a 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 vegades més barat? Només aquí als Països Baixos! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - a partir de 99 $! Llegeix sobre
Font: www.habr.com