Daghang mga gamers sa tibuok kalibutan nga nakasinati sa Xbox 360 nga panahon pamilyar kaayo sa sitwasyon sa dihang ang ilang console nahimo nga frying pan diin sila makaprito og mga itlog. Ang susama nga makapasubo nga sitwasyon mahitabo dili lamang sa mga game consoles, kondili usab sa mga telepono, laptop, tablet ug daghan pa. Sa prinsipyo, halos bisan unsang elektronik nga himan makasinati sa thermal shock, nga mahimong mosangpot dili lamang sa kapakyasan ug pagkasuko sa tag-iya niini, kondili usab sa "dili maayo nga boom" sa baterya ug seryoso nga kadaot. Karon kita masinati sa usa ka pagtuon diin ang mga siyentista gikan sa Stanford University, sama ni Nick Fury gikan sa komiks, naghimo og usa ka taming nga nanalipod sa sensitibo sa init nga mga bahin sa elektroniko gikan sa sobrang kainit ug, isip resulta, nagpugong kanila sa pagkaguba. Giunsa paghimo sa mga siyentipiko ang usa ka thermal shield, unsa ang mga nag-unang sangkap niini ug kung unsa kini ka epektibo? Nahibal-an namon ang bahin niini ug daghan pa gikan sa taho sa grupo sa panukiduki. Lakaw.
Basihan sa panukiduki
Ang problema sa sobrang kainit nahibal-an na sa dugay nga panahon, ug gisulbad kini sa mga siyentipiko sa lainlaing mga paagi. Ang pipila sa mga labing popular mao ang paggamit sa bildo, plastik ug bisan mga sapaw sa hangin, nga nagsilbing usa ka matang sa insulators sa thermal radiation. Sa modernong mga katinuoran, kini nga pamaagi mahimong mapauswag pinaagi sa pagkunhod sa gibag-on sa panalipod nga layer sa daghang mga atomo nga dili mawala ang mga kabtangan sa thermal insulation. Mao gyud kana ang gibuhat sa mga tigdukiduki.
Siyempre, naghisgot kami bahin sa mga nanomaterial. Bisan pa, ang ilang paggamit sa thermal insulation kaniadto komplikado sa kamatuoran nga ang wavelength sa mga coolant (phonon*) mas mubo kay sa mga electron o photon.
Phonon* - usa ka quasiparticle, nga usa ka quantum sa vibrational motion sa kristal nga mga atomo.
Dugang pa, tungod sa bosonic nga kinaiya sa mga phonon, imposible nga makontrol kini pinaagi sa boltahe (sama sa gihimo sa mga tagdala sa bayad), nga kasagaran nagpalisud sa pagkontrol sa pagbalhin sa kainit sa mga solido.
Kaniadto, ang mga thermal properties sa solids, ingon sa gipahinumdom kanato sa mga tigdukiduki, gikontrol pinaagi sa nanolaminate films ug superlattices tungod sa structural disorder ug high density interfaces, o pinaagi sa silicon ug germanium nanowires tungod sa kusog nga phonon scattering.
Sa ubay-ubay nga mga pamaagi sa thermal insulation nga gihulagway sa ibabaw, ang mga siyentista masaligon nga andam sa pagpasidungog sa duha ka dimensyon nga mga materyales, ang gibag-on nga dili molapas sa daghang mga atomo, nga naghimo kanila nga dali nga makontrol sa usa ka atomic scale. Sa ilang pagtuon ilang gigamit van der Waals (vdW) nga asembliya sa atomically thin 2D layers aron makab-ot ang taas kaayo nga thermal resistance sa tibuok heterostructure niini.
Van der Waals nga pwersa* — mga pwersa sa intermolecular/interatomic nga interaksyon nga adunay kusog nga 10-20 kJ/mol.
Ang bag-ong teknik nagpaposible nga makakuha og thermal resistance sa usa ka 2 nm nga baga nga vdW heterostructure nga ikatandi sa usa ka 2 nm nga baga nga SiO300 (silicon dioxide) nga layer.
Dugang pa, ang paggamit sa vdW heterostructures nagpaposible nga makontrol ang mga thermal properties sa atomic level pinaagi sa layering sa heterogeneous XNUMXD monolayers nga adunay lain-laing atomic mass densities ug vibrational modes.
Busa, dili nato ibira ang mga bungot sa iring ug magsugod kita sa paghunahuna sa mga resulta niining talagsaon nga panukiduki.
Mga resulta sa panukiduki
Una sa tanan, atong masinati ang microstructural ug optical nga mga kinaiya sa vdW heterostructures nga gigamit niini nga pagtuon.
Hulagway #1
Sa hulagway 1a nagpakita sa usa ka cross-sectional diagram sa usa ka upat ka layer heterostructure nga naglangkob sa (gikan sa ibabaw ngadto sa ubos): graphene (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 ug usa ka SiO2 / Si substrate. Aron ma-scan ang tanan nga mga layer nga dungan, gamita Raman laser* nga adunay wavelength nga 532 nm.
Raman laser* - usa ka matang sa laser diin ang nag-unang mekanismo sa pagpadako sa kahayag mao ang pagsabwag sa Raman.
Pagsabwag sa Raman, sa baylo, mao ang inelastic scattering sa optical radiation sa mga molekula sa usa ka substansiya, nga giubanan sa usa ka mahinungdanon nga kausaban sa frequency sa radiation.
Daghang mga pamaagi ang gigamit aron makumpirma ang microstructural, thermal ug electrical homogeneity sa heterostructure: scanning transmission electron microscopy (STEM), photoluminescence spectroscopy (PL), Kelvin probe microscopy (KPM), scanning thermal microscopy (SThM), ingon man Raman spectroscopy ug thermometry .
Image Image 1b nagpakita kanamo sa Raman spectrum sa usa ka Gr / MoSe2 / MoS2 / WSe22 heterostructure sa usa ka SiO2 / Si substrate sa lokasyon nga gimarkahan og pula nga tulbok. Kini nga laraw nagpakita sa pirma sa matag monolayer sa layer array, ingon man ang pirma sa Si substrate.
sa 1c-1f dark-field STEM nga mga hulagway sa Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 heterostructure gipakita (1c) ug Gr/MoS2/WSe22 heterostructures (1d-1f) nga adunay lainlaing mga oryentasyon sa lattice. Ang STEM nga mga hulagway nagpakita sa atomically close vdW gaps nga walay bisan unsa nga kontaminasyon, nga nagtugot sa kinatibuk-ang gibag-on niini nga mga heterostructure nga hingpit nga makita. Ang presensya sa interlayer coupling gikumpirma usab sa dagkong mga lugar sa pag-scan gamit ang photoluminescence (PL) spectroscopy (1g). Ang signal sa photoluminescent sa indibidwal nga mga layer sa sulod sa heterostructure labi nga gipugngan kung itandi sa signal sa usa ka nahilit nga monolayer. Gipatin-aw kini sa proseso sa pagbalhin sa bayad sa interlayer tungod sa suod nga interlayer nga interaksyon, nga nahimong mas lig-on human sa pag-annealing.
Hulagway #2
Aron masukod ang pag-agos sa kainit nga tul-id sa atomic nga mga ayroplano sa heterostructure, ang han-ay sa mga lut-od kay gihan-ay sa porma sa upat ka probe electrical device. Ang ibabaw nga layer sa graphene nagkontak sa mga electrodes sa palladium (Pd) ug gigamit isip usa ka heater alang sa Raman thermometry measurements.
Kini nga pamaagi sa pagpainit sa elektrisidad naghatag tukma nga pag-ihap sa gahum sa pag-input. Ang laing posible nga pamaagi sa pagpainit, optical, mahimong mas lisud nga ipatuman tungod sa pagkawalay alamag sa mga coefficient sa pagsuyup sa tagsa-tagsa nga mga lut-od.
sa 2a nagpakita sa usa ka upat ka-probe pagsukod circuit, ug 2b nagpakita sa taas nga panglantaw sa istruktura nga gisulayan. Eskedyul 2c nagpakita sa gisukod nga mga kinaiya sa pagbalhin sa kainit alang sa tulo ka mga himan, usa nga adunay sulod lamang nga graphene ug duha nga adunay Gr / WSe22 ug Gr / MoSe2 / WSe22 layer arrays. Ang tanan nga mga variant nagpakita sa ambipolar nga kinaiya sa graphene, nga nalangkit sa pagkawala sa usa ka band gap.
Nakit-an usab nga ang kasamtangang conduction ug pagpainit mahitabo sa ibabaw nga layer (graphene), tungod kay ang electrical conductivity niini daghan nga mga order sa magnitude nga mas taas kaysa sa MoS2 ug WSe22.
Aron ipakita ang homogeneity sa nasulayan nga mga himan, ang mga pagsukod gikuha gamit ang Kelvin probe microscopy (KPM) ug scanning thermal microscopy (SThM). Sa tsart 2d Ang mga pagsukod sa KPM gipakita nga nagpadayag sa linear nga potensyal nga pag-apod-apod. Ang mga resulta sa pagtuki sa SThM gipakita sa 2s. Dinhi atong makita ang usa ka mapa sa electrically heated Gr / MoS2 / WSe22 channels, ingon man ang presensya sa pagkaparehas sa pagpainit sa nawong.
Ang mga pamaagi sa pag-scan nga gihulagway sa ibabaw, sa partikular nga SThM, nagpamatuod sa homogeneity sa istruktura nga gitun-an, nga mao, ang homogeneity niini, sa mga termino sa temperatura. Ang sunod nga lakang mao ang pag-ihap sa temperatura sa matag usa sa constituent layer gamit ang Raman spectroscopy (ie, Raman spectroscopy).
Ang tanan nga tulo nga mga aparato gisulayan, ang matag usa adunay lugar nga ~ 40 µm2. Sa kini nga kaso, ang gahum sa heater nausab sa 9 mW, ug ang masuhop nga gahum sa laser ubos sa ~ 5 μW nga adunay lugar nga lugar sa laser nga ~ 0.5 μm2.
Hulagway #3
Sa tsart 3a usa ka pagtaas sa temperatura (∆T) sa matag layer ug substrate makita samtang ang gahum sa heater sa Gr / MoS2 / WSe22 heterostructure nagdugang.
Ang mga bakilid sa linear function alang sa matag materyal (layer) nagpakita sa thermal resistance (Rth=∆T/P) tali sa indibidwal nga layer ug sa heat sink. Tungod sa managsama nga pag-apod-apod sa pagpainit sa lugar, ang mga resistensya sa thermal dali nga masusi gikan sa ilawom hangtod sa taas nga layer, diin ang ilang mga kantidad na-normalize sa lugar sa channel (WL).
L ug W mao ang channel gitas-on ug gilapdon, nga mao ang kamahinungdanon mas dako pa kay sa gibag-on sa SiO2 substrate ug sa lateral thermal pagpainit gitas-on, nga mao ang ~ 0.1 μm.
Busa, mahimo natong makuha ang pormula alang sa thermal resistance sa Si substrate, nga ingon niini:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
Niini nga sitwasyon kSi ≈ 90 W m−1 K−1, nga mao ang gipaabot nga thermal conductivity sa maong usa ka highly doped substrate.
Ang kalainan tali sa Rth, WSe2 ug Rth, Si mao ang sumada sa thermal resistance sa 2 nm nga gibag-on nga SiO100 ug ang thermal boundary resistance (TBR) sa WSe2/SiO2 interface.
Paghiusa sa tanan nga mga aspeto sa ibabaw, mahimo naton maestablisar nga Rth,MoS2 - Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, ug Rth,Gr - Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Busa, gikan sa graph 3a posible nga makuha ang TBR nga kantidad alang sa matag usa sa WSe2 / SiO2, MoS2 / WSe2 ug Gr / MoS2 nga mga interface.
Sunod, gitandi sa mga siyentista ang kinatibuk-ang resistensya sa thermal sa tanan nga heterostructure, gisukod gamit ang Raman spectroscopy ug thermal microscopy (3b).
Ang bilayer ug trilayer heterostructure sa SiO2 nagpakita sa epektibo nga thermal resistance sa range nga 220 ngadto sa 280 m2 K / GW sa temperatura sa lawak, nga katumbas sa thermal resistance sa SiO2 nga adunay gibag-on nga 290 ngadto sa 360 nm. Bisan pa sa kamatuoran nga ang gibag-on sa mga heterostructure nga gitun-an dili molapas sa 2 nm (1d-1f), ang ilang thermal conductivity mao ang 0.007-0.009 W m−1 K−1 sa temperatura sa lawak.
Hulagway #4
Ang hulagway 4 nagpakita sa mga pagsukod sa tanang upat ka mga istruktura ug sa thermal boundary conductivity (TBC) sa ilang mga interface, nga nagtugot kanato sa pagtimbang-timbang sa ang-ang sa impluwensya sa matag layer sa kaniadto gisukod nga thermal resistance (TBC = 1 / TBR).
Ang mga tigdukiduki nakamatikod nga kini ang labing una nga pagsukod sa TBC alang sa atomically close nga mga interface tali sa bulag nga mga monolayer (2D / 2D), labi na tali sa WSe2 ug SiO2 monolayers.
Ang TBC sa usa ka monolayer WSe2/SiO2 interface mas ubos kay sa multilayer WSe2/SiO2 interface, nga dili ikatingala tungod kay ang monolayer adunay mas gamay nga bending phonon modes nga magamit alang sa transmission. Sa yanong pagkasulti, ang TBC sa interface tali sa 2D layers mas ubos kay sa TBC sa interface tali sa 2D layer ug sa 3D SiO2 substrate (4b).
Alang sa usa ka mas detalyado nga kaila sa mga nuances sa pagtuon, girekomenda ko ang pagtan-aw и kaniya
Epilogo
Kini nga panukiduki, ingon sa giangkon sa mga siyentipiko mismo, naghatag kanato og kahibalo nga mahimong magamit sa pagpatuman sa atomic thermal interface. Kini nga buhat nagpakita sa posibilidad sa paghimo sa init-insulating metamaterial kansang mga kabtangan dili makita sa kinaiyahan. Dugang pa, gipamatud-an usab sa pagtuon ang posibilidad sa paghimo sa tukma nga pagsukod sa temperatura sa maong mga istruktura, bisan pa sa atomic scale sa mga layer.
Ang mga heterostructure nga gihulagway sa ibabaw mahimo nga basehan alang sa ultra-light ug compact thermal "mga taming", nga makahimo, pananglitan, sa pagtangtang sa kainit gikan sa mga hot spot sa electronics. Dugang pa, kini nga teknolohiya mahimong magamit sa mga thermoelectric generator o thermally controlled nga mga aparato, nga nagdugang sa ilang pasundayag.
Kini nga pagtuon sa makausa pa nagpamatuod nga ang modernong siyensiya seryoso nga interesado sa prinsipyo sa "efficiency sa usa ka didal," nga dili matawag nga usa ka hungog nga ideya, nga gihatag sa limitado nga mga kapanguhaan sa planeta ug sa padayon nga pagtubo sa panginahanglan alang sa tanan nga mga matang sa teknolohiya inobasyon.
Salamat sa imong pagtagad, pabiling kuryoso ug maayong semana sa tanan! 🙂
Salamat sa pagpabilin kanamo. Ganahan ka ba sa among mga artikulo? Gusto nga makakita og mas makapaikag nga sulod? Suportahi kami pinaagi sa pag-order o pagrekomenda sa mga higala, 30% nga diskwento alang sa mga tiggamit sa Habr sa usa ka talagsaon nga analogue sa mga entry-level server, nga giimbento namo alang kanimo: (anaa sa RAID1 ug RAID10, hangtod sa 24 ka mga core ug hangtod sa 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 ka beses nga mas barato? Dinhi lang sa Netherlands! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - gikan sa $99! Basaha ang mahitungod sa
Source: www.habr.com