Parechji gamers in u mondu sanu chì anu sperimentatu l'era Xbox 360 sò assai familiarizati cù a situazione quandu a so cunsola si trasforma in una padedda nantu à quale puderanu frittà l'ova. Una situazione trista simile si trova micca solu cù cunsole di ghjocu, ma ancu cù telefoni, laptops, tablette è assai di più. In principiu, quasi ogni dispusitivu ilittronica pò sperimentà scossa termale, chì pò purtà micca solu à u so fallimentu è disgrazia di u so patrone, ma dinù à u "bad boom" di a bateria è ferita seria. Oghje avemu cunnisciutu cun un studiu in quale i scientisti di l'Università di Stanford, cum'è Nick Fury da i fumetti, anu creatu un scudo chì prutegge e parti elettroniche sensibili à u calore da u surriscaldamentu è, in u risultatu, impediscenu a so rottura. Cumu i scientisti anu riisciutu à creà un scudo termale, chì sò i so cumpunenti principali è quantu hè efficace? Amparamu nantu à questu è più da u rapportu di u gruppu di ricerca. Vai.
Basi di ricerca
U prublema di u surriscaldamentu hè cunnisciutu per un tempu assai longu, è i scientisti risolvenu in una varietà di manere. Unipochi di i più populari sò l'usu di vetru, plastica è ancu strati di l'aria, chì serve com'è un tipu d'insulatori di a radiazione termale. In realità muderni, stu metudu pò esse migliuratu, riducendu u gruixu di a capa protettiva à parechji atomi senza perde e so proprietà d'insulazione termale. Hè esattamente ciò chì i circadori anu fattu.
Di sicuru, parlemu di nanomateriali. In ogni casu, u so usu in l'insulazione termale era previamente complicatu da u fattu chì a lunghezza d'onda di i refrigeranti (fononi*) hè significativamente più corta di quella di l'elettroni o di i fotoni.
fonu* - una quasiparticle, chì hè un quantu di u muvimentu vibrazionale di l'atomi di cristalli.
Inoltre, per via di a natura bosonica di i fononi, hè impussibile di cuntrullà per voltage (cum'è hè fattu cù i trasportatori di carica), chì generalmente rende difficiule di cuntrullà u trasferimentu di calore in solidi.
Nanzu, e proprietà termale di i solidi, cum'è i circadori ci ricordanu, sò stati cuntrullati attraversu filmi nanolaminati è superlattice per via di disordini strutturali è interfacce d'alta densità, o attraversu nanofili di siliciu è germaniu per via di una forte dispersione di fononi.
À una quantità di i metudi di insulazioni termale descritti sopra, i scientisti sò cunfidenti pronti à attribuisce materiali bidimensionali, u gruixu di quale ùn trapassa parechji atomi, chì facenu fàciule di cuntrullà in una scala atomica. In u so studiu anu utilizatu van der Waals (vdW) assemblea di strati 2D atomicamente sottili per ottene una resistenza termica assai alta in tutta a so eterostruttura.
Forze di Van der Waals* - forze d'interazione intermolecular / interatomica cù una energia di 10-20 kJ / mol.
A nova tecnica hà permessu di ottene una resistenza termica in una eterostruttura vdW di 2 nm di spessore paragunabile à quella di una strata di SiO2 (diossidu di siliciu) di 300 nm.
Inoltre, l'usu di l'eterostrutture vdW hà permessu di guadagnà u cuntrollu di e proprietà termali à u livellu atomicu attraversu a stratificazione di monolayers eterogenei 2D cù diverse densità di massa atomica è modi di vibrazione.
Dunque, ùn tiremu micca i baffi di u gattu è cuminciamu à cunsiderà i risultati di sta ricerca maravigghiusa.
Risultati di ricerca
Prima di tuttu, facemu cunniscenze cù e caratteristiche microstrutturali è ottiche di l'eterostrutture vdW aduprate in stu studiu.
Image #1
Nantu à l'imaghjini 1 mostra un diagramma trasversale di una eterostruttura di quattru strati cumpostu da (da cima à fondu): graphene (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 è un sustrato SiO2 / Si. Per scansà tutti i strati simultaneamente, utilizate laser Raman* cù una lunghezza d'onda di 532 nm.
laser Raman* - un tipu di laser in quale u mecanismu principale di l'amplificazione di a luce hè a scattering Raman.
Raman sparghje, à u turnu, hè a scattering inelastic di a radiazione otticu nantu à e molécule di una sustanza, chì hè accumpagnata da un cambiamentu significativu in a freccia di a radiazione.
Diversi metudi sò stati utilizati per cunfirmà l'omogeneità microstrutturale, termica è elettrica di l'eterostrutture: microscopia elettronica di trasmissione a scansione (STEM), spettroscopia di fotoluminescenza (PL), microscopia di sonda Kelvin (KPM), microscopia termica a scansione (SThM), è spettroscopia Raman. termometria.
Image Image 1b ci mostra u spettru Raman di una eterostruttura Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 nantu à un sustrato SiO2/Si in u locu marcatu cù un puntu rossu. Questa trama mostra a firma di ogni monolayer in a matrice di strati, è ancu a firma di u sustrato Si.
nantu 1c-1f L'imaghjini STEM in campu scuru di l'eterostruttura Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 sò mostrati (1c) e eterostrutture Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) cù diverse orientazioni di lattice. L'imaghjini STEM mostranu gap vdW atomicamente chjusi senza alcuna contaminazione, chì permettenu u spessore generale di queste eterostrutture per esse cumpletamente visibili. A prisenza di l'accoppiamentu interlayer hè stata cunfirmata ancu in grandi spazii di scansione cù spettroscopia di fotoluminescenza (PL).1g). U signale fotoluminescente di strati individuali in l'eterostruttura hè significativamente soppresso in paragunà à u signale di una monolayer isolata. Questu hè spiegatu da u prucessu di trasferimentu di carica interlayer per via di l'interazzione stretta interlayer, chì diventa ancu più forte dopu l'annealing.
Image #2
Per misurà u flussu di calore perpendiculare à i piani atomichi di l'eterostruttura, l'array di strati hè stata strutturata in forma di apparecchi elettrici di quattru sonde. A capa superiore di grafene cuntatta l'elettrodi di paladiu (Pd) è hè utilizatu com'è riscaldatore per e misurazioni di termometria Raman.
Stu metudu di riscaldamentu elettricu furnisce una quantificazione precisa di a putenza di input. Un altru mètudu di riscaldamentu pussibule, otticu, seria più difficiuli di implementà per ignuranza di i coefficienti d'absorzione di strati individuali.
nantu 2 mostra un circuitu di misurazione di quattru sonde, è 2b mostra una vista superiore di a struttura in prova. Schedule 2c mostra e caratteristiche di trasferimentu di calore misurate per trè apparecchi, unu chì cuntene solu grafene è dui chì cuntenenu arrays di strati Gr/WSe22 è Gr/MoSe2/WSe22. Tutte e varianti dimustranu un cumpurtamentu ambipolari di u grafene, chì hè assuciatu cù l'absenza di una banda gap.
Hè statu ancu truvatu chì a cunduzzione attuale è u riscaldamentu si trovanu in a capa superiore (grafene), postu chì a so conduttività elettrica hè parechji ordini di grandezza più altu di quellu di MoS2 è WSe22.
Per dimustrà l'omogeneità di i dispositi testati, e misurazioni sò state prese cù a microscopia di sonda Kelvin (KPM) è a microscopia termica à scanning (SThM). Nantu à a carta 2d E misurazioni KPM sò affissate chì revelanu a distribuzione potenziale lineare. I risultati di l'analisi SThM sò mostrati in 2s. Quì vedemu una mappa di i canali Gr/MoS2/WSe22 riscaldati elettricamente, è ancu a presenza di uniformità in u riscaldamentu di a superficia.
I tecnichi di scanning descritti sopra, in particulare SThM, cunfirmanu l'homogeneità di a struttura studiata, vale à dì a so homogeneità, in termini di temperature. U passu prossimu era di quantificà a temperatura di ognuna di i strati custituenti cù spettroscopia Raman (vale à dì, spettroscopia Raman).
Tutti i trè dispositi sò stati pruvati, ognunu cù una zona di ~ 40 µm2. In questu casu, a putenza di u riscaldatore hà cambiatu da 9 mW, è a putenza laser assorbita era sottu ~ 5 μW cù una zona di spot laser di ~ 0.5 μm2.
Image #3
Nantu à a carta 3 un aumentu di a temperatura (∆T) di ogni strata è sustrato hè visibile cum'è a putenza di riscaldamentu in l'eterostruttura Gr/MoS2/WSe22 aumenta.
I pendii di a funzione lineale per ogni materiale (layer) indicanu a resistenza termale (Rth = ∆T / P) trà a capa individuali è u dissipatore di calore. Data a distribuzione uniforme di riscaldamentu nantu à l'area, e resistenze termali ponu esse facilmente analizate da u fondu à a capa superiore, durante quale i so valori sò nurmalizzati da l'area di u canali (WL).
L è W sò a lunghezza è a larghezza di u canali, chì sò significativamente più grande di u gruixu di u sustrato SiO2 è a lunghezza di riscaldamentu termale laterale, chì hè ~ 0.1 μm.
Dunque, pudemu derivà a formula per a resistenza termale di u sustrato Si, chì serà cusì:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
In questa situazione kSi ≈ 90 W m−1 K−1, chì hè a conduttività termale prevista di un sustrato cusì altamente drogatu.
A diffarenza trà Rth,WSe2 è Rth,Si hè a summa di a resistenza termale di 2 nm di SiO100 grossu è a resistenza termale di u cunfini (TBR) di l'interfaccia WSe2/SiO2.
Pudemu tutti l'aspettu sopra, pudemu stabilisce chì Rth,MoS2 - Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, è Rth,Gr - Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Dunque, da u graficu 3 hè pussibule estrattà u valore di TBR per ognuna di l'interfaccia WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 è Gr/MoS2.
Dopu, i scientisti anu paragunatu a resistenza termale tutale di tutte l'eterostrutture, misurata cù spettroscopia Raman è microscopia termale (3b).
L'eterostrutture bilayer è trilayer nantu à SiO2 presentanu una resistenza termica efficace in a gamma di 220 à 280 m2 K / GW à a temperatura di l'ambienti, chì hè equivalente à a resistenza termale di SiO2 cù un spessore di 290 à 360 nm. Malgradu u fattu chì u spessore di l'eterostrutture studiate ùn supera micca 2 nm (1d-1f), a so conductibilità termale hè 0.007-0.009 W m−1 K−1 à a temperatura di l'ambienti.
Image #4
L'Image 4 mostra e misurazioni di tutte e quattru strutture è a conduttività termale di u cunfini (TBC) di e so interfacce, chì ci permette di valutà u gradu di influenza di ogni strata nantu à a resistenza termale misurata prima (TBC = 1 / TBR).
I circadori notanu chì questa hè a prima misurazione TBC per interfacce atomicamente vicine trà monolayers separati (2D / 2D), specificamente trà monocapa WSe2 è SiO2.
U TBC di una interfaccia monolayer WSe2 / SiO2 hè più bassu di quellu di una interfaccia multilayer WSe2 / SiO2, chì ùn hè micca surprisante postu chì a monolayer hà significativamente menu modi di fonone curvatu dispunibili per a trasmissione. Bastamente, u TBC di l'interfaccia trà i strati 2D hè più bassu di u TBC di l'interfaccia trà a capa 2D è u sustrato 3D SiO2 (4b).
Per una cunniscenza più dettagliata di e sfumature di u studiu, vi cunsigliu di guardà и à ellu.
Epilogue
Sta ricerca, cum'è i scientisti stessi dichjaranu, ci duna cunniscenze chì ponu esse appiicate in l'implementazione di interfacce termali atomichi. Stu travagliu hà dimustratu a pussibilità di creà metamateriali termoisolanti chì e proprietà ùn si trovanu micca in a natura. Inoltre, u studiu hà cunfirmatu ancu a pussibilità di realizà e misurazioni di temperatura precisa di tali strutture, malgradu a scala atomica di i strati.
L'eterostrutture descritte sopra ponu diventà a basa per "scudi" termali ultra-light è compacti, capaci, per esempiu, di caccià u calore da i punti caldi in l'elettronica. Inoltre, sta tecnulugia pò esse usata in generatori termoelettrichi o dispositi cuntrullati termicamente, aumentendu u so rendiment.
Stu studiu cunfirma una volta di più chì a scienza muderna hè seriamente interessata in u principiu di "efficienza in un ditale", chì ùn pò micca esse chjamatu una idea stupida, datu i risorsi limitati di u pianeta è a crescita cuntinua di a dumanda di ogni tipu di innovazioni tecnologiche.
Grazie per a vostra attenzione, restate curiosi è bona settimana à tutti ! 🙂
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Source: www.habr.com
