Mnoho hráčů po celém světě, kteří zažili éru Xboxu 360, velmi dobře zná situaci, kdy se jejich konzole proměnila v pánev, na které si mohli smažit vejce. Podobná tristní situace nastává nejen u herních konzolí, ale také u telefonů, notebooků, tabletů a mnoha dalších. V zásadě téměř každé elektronické zařízení může zažít tepelný šok, který může vést nejen k jeho selhání a rozrušení jeho majitele, ale také ke „špatnému boomu“ baterie a vážnému zranění. Dnes se seznámíme se studií, ve které vědci ze Stanfordské univerzity, podobně jako Nick Fury z komiksů, vytvořili štít, který chrání elektronické součástky citlivé na teplo před přehřátím a ve výsledku zabraňuje jejich rozpadu. Jak se vědcům podařilo vytvořit tepelný štít, jaké jsou jeho hlavní součásti a jak je účinný? To a další se dozvídáme ze zprávy výzkumné skupiny. Jít.
Výzkumná základna
Problém přehřívání je známý již velmi dlouho a vědci jej řeší nejrůznějšími způsoby. Mezi nejoblíbenější patří použití skla, plastu a dokonce i vrstvy vzduchu, které slouží jako jakési izolátory tepelného záření. V moderní realitě lze tuto metodu zlepšit zmenšením tloušťky ochranné vrstvy na několik atomů, aniž by došlo ke ztrátě jejích tepelně izolačních vlastností. Přesně to vědci udělali.
Mluvíme samozřejmě o nanomateriálech. Jejich použití v tepelné izolaci však dříve komplikovala skutečnost, že vlnová délka chladicích kapalin (fonony*) je výrazně kratší než u elektronů nebo fotonů.
fonón* - kvazičástice, což je kvantum vibračního pohybu krystalových atomů.
Navíc, kvůli bosonické povaze fononů, je nemožné je ovládat napětím (jak je tomu u nosičů náboje), což obecně ztěžuje řízení přenosu tepla v pevných látkách.
Dříve byly tepelné vlastnosti pevných látek, jak nám vědci připomínají, řízeny prostřednictvím nanolaminátových filmů a supermřížek v důsledku strukturální poruchy a rozhraní s vysokou hustotou nebo prostřednictvím křemíkových a germaniových nanodrátů kvůli silnému rozptylu fononů.
K řadě výše popsaných tepelně izolačních metod jsou vědci s jistotou připraveni přiřadit dvourozměrné materiály, jejichž tloušťka nepřesahuje několik atomů, což usnadňuje jejich ovládání v atomovém měřítku. Ve své studii použili van der Waals (vdW) montáž atomicky tenkých 2D vrstev pro dosažení velmi vysokého tepelného odporu v celé jejich heterostruktuře.
Van der Waalsovy síly* — intermolekulární/meziatomové interakční síly s energií 10-20 kJ/mol.
Nová technika umožnila získat tepelnou odolnost v heterostruktuře vdW o tloušťce 2 nm srovnatelnou s tepelnou odolností ve vrstvě SiO2 (oxid křemičitý) o tloušťce 300 nm.
Kromě toho použití heterostruktur vdW umožnilo získat kontrolu nad tepelnými vlastnostmi na atomární úrovni prostřednictvím vrstvení heterogenních XNUMXD monovrstev s různými atomovými hmotnostními hustotami a vibračními režimy.
Netahejme tedy kočce za vousy a pojďme se zamyslet nad výsledky tohoto úžasného výzkumu.
Výsledky výzkumu
Nejprve se seznámíme s mikrostrukturními a optickými charakteristikami heterostruktur vdW použitých v této studii.
Obrázek č. 1
Na obrázku 1a ukazuje průřezový diagram čtyřvrstvé heterostruktury sestávající z (shora dolů): grafenu (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 a substrátu Si2/Si. Chcete-li skenovat všechny vrstvy současně, použijte Ramanův laser* s vlnovou délkou 532 nm.
Ramanův laser* - druh laseru, ve kterém je hlavním mechanismem zesílení světla Ramanův rozptyl.
Ramanův rozptyl, je zase nepružný rozptyl optického záření na molekulách látky, který je doprovázen výraznou změnou frekvence záření.
K potvrzení mikrostrukturální, tepelné a elektrické homogenity heterostruktur bylo použito několik metod: skenovací transmisní elektronová mikroskopie (STEM), fotoluminiscenční spektroskopie (PL), mikroskopie Kelvinovy sondy (KPM), skenovací termální mikroskopie (SThM), stejně jako Ramanova spektroskopie a termometrie .
Изображение 1b ukazuje Ramanovo spektrum heterostruktury Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 na substrátu SiO2/Si v místě označeném červenou tečkou. Tento graf ukazuje signaturu každé monovrstvy v poli vrstev, stejně jako signaturu Si substrátu.
Na 1c-1f Jsou zobrazeny snímky STEM v temném poli heterostruktury Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 (1) a heterostruktury Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) s různou orientací mřížky. Obrázky STEM ukazují atomově těsné mezery vdW bez jakékoli kontaminace, což umožňuje, aby byla celková tloušťka těchto heterostruktur plně viditelná. Přítomnost vazby mezi vrstvami byla také potvrzena na velkých skenovacích plochách pomocí fotoluminiscenční (PL) spektroskopie (1g). Fotoluminiscenční signál jednotlivých vrstev uvnitř heterostruktury je oproti signálu izolované monovrstvy výrazně potlačen. To je vysvětleno procesem přenosu náboje mezi vrstvami v důsledku těsné interakce mezi vrstvami, která se po žíhání stává ještě silnější.
Obrázek č. 2
Aby bylo možné měřit tepelný tok kolmo k atomovým rovinám heterostruktury, bylo pole vrstev strukturováno ve formě elektrických zařízení se čtyřmi sondami. Vrchní vrstva grafenu je v kontaktu s palladiovými (Pd) elektrodami a používá se jako ohřívač pro měření Ramanova termometrie.
Tato metoda elektrického ohřevu poskytuje přesnou kvantifikaci příkonu. Další možný způsob ohřevu, optický, by byl obtížněji realizovatelný z důvodu neznalosti absorpčních koeficientů jednotlivých vrstev.
Na 2a ukazuje měřicí obvod se čtyřmi sondami a 2b ukazuje pohled shora na testovanou konstrukci. Plán 2 ukazuje naměřené charakteristiky přenosu tepla pro tři zařízení, jedno obsahující pouze grafen a dvě obsahující pole vrstev Gr/WSe22 a Gr/MoSe2/WSe22. Všechny varianty demonstrují ambipolární chování grafenu, které je spojeno s absencí zakázaného pásu.
Bylo také zjištěno, že k vedení proudu a zahřívání dochází v horní vrstvě (grafen), protože její elektrická vodivost je o několik řádů vyšší než u MoS2 a WSe22.
K prokázání homogenity testovaných zařízení byla provedena měření pomocí Kelvinovy sondové mikroskopie (KPM) a rastrovací termální mikroskopie (SThM). Na grafu 2d Zobrazují se měření KPM odhalující lineární rozložení potenciálu. Výsledky analýzy SThM jsou uvedeny v 2. Zde vidíme mapu elektricky vyhřívaných kanálů Gr/MoS2/WSe22 a také přítomnost rovnoměrnosti v povrchovém ohřevu.
Výše popsané skenovací techniky, zejména SThM, potvrdily homogenitu studované struktury, tedy její homogenitu z hlediska teplot. Dalším krokem bylo kvantifikovat teplotu každé ze základních vrstev pomocí Ramanovy spektroskopie (tj. Ramanovy spektroskopie).
Testována byla všechna tři zařízení, každé s plochou ~40 µm2. V tomto případě se výkon ohřívače změnil o 9 mW a absorbovaný výkon laseru byl pod ~5 μW s plochou laserového bodu ~0.5 μm2.
Obrázek č. 3
Na grafu 3a zvýšení teploty (∆T) každé vrstvy a substrátu je viditelné, když se výkon ohřívače v heterostruktuře Gr/MoS2/WSe22 zvyšuje.
Sklony lineární funkce pro každý materiál (vrstvu) udávají tepelný odpor (Rth=∆T/P) mezi jednotlivou vrstvou a chladičem. Vzhledem k rovnoměrnému rozložení vytápění po ploše lze tepelné odpory snadno analyzovat od spodní k horní vrstvě, přičemž jejich hodnoty jsou normalizovány plochou kanálu (WL).
L a W jsou délka a šířka kanálu, které jsou výrazně větší než tloušťka substrátu SiO2 a délka laterálního tepelného ohřevu, která je ~0.1 μm.
Proto můžeme odvodit vzorec pro tepelný odpor Si substrátu, který bude vypadat takto:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
V této situaci kSi ≈ 90 W m−1 K−1, což je očekávaná tepelná vodivost takto vysoce dopovaného substrátu.
Rozdíl mezi Rth,WSe2 a Rth,Si je součtem tepelného odporu SiO2 o tloušťce 100 nm a tepelného hraničního odporu (TBR) rozhraní WSe2/SiO2.
Když dáme všechny výše uvedené aspekty dohromady, můžeme stanovit, že Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2 a Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Proto z grafu 3a je možné extrahovat hodnotu TBR pro každé z rozhraní WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 a Gr/MoS2.
Dále vědci porovnali celkový tepelný odpor všech heterostruktur, měřený pomocí Ramanovy spektroskopie a tepelné mikroskopie (3b).
Dvouvrstvé a třívrstvé heterostruktury na SiO2 vykazovaly efektivní tepelný odpor v rozmezí 220 až 280 m2 K/GW při pokojové teplotě, což je ekvivalentní tepelnému odporu SiO2 o tloušťce 290 až 360 nm. Navzdory skutečnosti, že tloušťka zkoumaných heterostruktur nepřesahuje 2 nm (1d-1f), jejich tepelná vodivost je 0.007-0.009 W m−1 K−1 při pokojové teplotě.
Obrázek č. 4
Obrázek 4 ukazuje měření všech čtyř konstrukcí a tepelnou hraniční vodivost (TBC) jejich rozhraní, což nám umožňuje vyhodnotit míru vlivu každé vrstvy na dříve naměřený tepelný odpor (TBC = 1 / TBR).
Výzkumníci poznamenávají, že se jedná o vůbec první měření TBC pro atomově těsná rozhraní mezi samostatnými monovrstvami (2D/2D), konkrétně mezi monovrstvami WSe2 a SiO2.
TBC jednovrstvého rozhraní WSe2/SiO2 je nižší než u vícevrstvého rozhraní WSe2/SiO2, což není překvapivé, protože monovrstva má výrazně méně ohybových fononových režimů dostupných pro přenos. Jednoduše řečeno, TBC rozhraní mezi 2D vrstvami je nižší než TBC rozhraní mezi 2D vrstvou a 3D SiO2 substrátem (4b).
Pro podrobnější seznámení s nuancemi studie doporučuji nahlédnout и jemu.
Epilog
Tento výzkum, jak sami vědci tvrdí, nám dává poznatky, které lze aplikovat při realizaci atomových tepelných rozhraní. Tato práce ukázala možnost vytvoření tepelně izolačních metamateriálů, jejichž vlastnosti se v přírodě nevyskytují. Kromě toho studie také potvrdila možnost provádět přesná měření teploty takových struktur, a to navzdory atomovému měřítku vrstev.
Výše popsané heterostruktury se mohou stát základem pro ultralehké a kompaktní tepelné „štíty“, schopné například odvádět teplo z horkých míst v elektronice. Kromě toho lze tuto technologii použít v termoelektrických generátorech nebo tepelně řízených zařízeních, což zvyšuje jejich výkon.
Tato studie opět potvrzuje, že moderní věda se vážně zajímá o princip „efektivity v náprstku“, což nelze nazvat hloupým nápadem, vzhledem k omezeným zdrojům planety a neustálému růstu poptávky po nejrůznějších technologických inovacích.
Děkuji za pozornost, buďte zvědaví a přeji všem krásný týden! 🙂
Děkujeme, že s námi zůstáváte. Líbí se vám naše články? Chcete vidět více zajímavého obsahu? Podpořte nás objednávkou nebo doporučením přátelům, 30% sleva pro uživatele Habr na unikátní obdobu entry-level serverů, kterou jsme pro vás vymysleli: (k dispozici s RAID1 a RAID10, až 24 jader a až 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2x levnější? Pouze zde V Nizozemsku! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB – od 99 $! Číst o
Zdroj: www.habr.com