Mae llawer o gamers ledled y byd a brofodd yr oes Xbox 360 yn gyfarwydd iawn â'r sefyllfa pan drodd eu consol yn sosban ffrio y gallent ffrio wyau arno. Mae sefyllfa drist debyg yn digwydd nid yn unig gyda chonsolau gêm, ond hefyd gyda ffonau, gliniaduron, tabledi a llawer mwy. Mewn egwyddor, gall bron unrhyw ddyfais electronig brofi sioc thermol, a all arwain nid yn unig at fethiant a gofid ei berchennog, ond hefyd at "ffyniant drwg" y batri ac anaf difrifol. Heddiw, byddwn yn dod yn gyfarwydd ag astudiaeth lle mae gwyddonwyr o Brifysgol Stanford, fel Nick Fury o'r comics, wedi creu tarian sy'n amddiffyn rhannau electronig sy'n sensitif i wres rhag gorboethi ac, o ganlyniad, yn atal eu chwalu. Sut llwyddodd gwyddonwyr i greu tarian thermol, beth yw ei phrif gydrannau a pha mor effeithiol ydyw? Rydym yn dysgu am hyn a mwy o adroddiad y grŵp ymchwil. Ewch.
Sail ymchwil
Mae problem gorboethi wedi bod yn hysbys ers amser maith, ac mae gwyddonwyr yn ei datrys mewn amrywiaeth o ffyrdd. Rhai o'r rhai mwyaf poblogaidd yw'r defnydd o wydr, plastig a hyd yn oed haenau o aer, sy'n gwasanaethu fel math o ynysyddion o ymbelydredd thermol. Mewn realiti modern, gellir gwella'r dull hwn trwy leihau trwch yr haen amddiffynnol i sawl atom heb golli ei briodweddau insiwleiddio thermol. Dyna'n union a wnaeth yr ymchwilwyr.
Rydym ni, wrth gwrs, yn sôn am nanoddeunyddiau. Fodd bynnag, roedd eu defnydd mewn inswleiddio thermol wedi'i gymhlethu'n flaenorol gan y ffaith bod tonfedd oeryddion (ffonnau *) yn sylweddol fyrrach na electronau neu ffotonau.
Phonon* - lledronyn, sef cwantwm mudiant dirgrynol atomau grisial.
Yn ogystal, oherwydd natur bosonig phonons, mae'n amhosibl eu rheoli trwy foltedd (fel sy'n cael ei wneud gyda chludwyr tâl), sydd yn gyffredinol yn ei gwneud hi'n anodd rheoli trosglwyddiad gwres mewn solidau.
Yn flaenorol, roedd priodweddau thermol solidau, fel y mae ymchwilwyr yn ein hatgoffa, yn cael eu rheoli trwy ffilmiau nanolaminate a superlattices oherwydd anhwylder strwythurol a rhyngwynebau dwysedd uchel, neu trwy nanowires silicon a germanium oherwydd gwasgariad ffonon cryf.
I nifer o'r dulliau inswleiddio thermol a ddisgrifir uchod, mae gwyddonwyr yn hyderus barod i briodoli deunyddiau dau ddimensiwn, nad yw eu trwch yn fwy na nifer o atomau, sy'n eu gwneud yn hawdd i'w rheoli ar raddfa atomig. Yn eu hastudiaeth fe wnaethon nhw ddefnyddio van der Waals (vdW) cydosod haenau 2D tenau atomig i gyflawni ymwrthedd thermol uchel iawn trwy gydol eu heterostrwythur.
Lluoedd Van der Waals* — grymoedd rhyngweithio rhyngfoleciwlaidd/rhynatomig ag egni o 10-20 kJ/mol.
Roedd y dechneg newydd yn ei gwneud hi'n bosibl cael gwrthiant thermol mewn heterostructure vdW 2 nm o drwch tebyg i'r un mewn haen SiO2 (silicon deuocsid) 300 nm o drwch.
Yn ogystal, mae'r defnydd o heterostructures vdW wedi ei gwneud hi'n bosibl ennill rheolaeth dros eiddo thermol ar y lefel atomig trwy haenu monohaenau XNUMXD heterogenaidd gyda gwahanol ddwysedd màs atomig a moddau dirgrynol.
Felly, gadewch i ni beidio â thynnu wisgers y gath a gadewch i ni ddechrau ystyried canlyniadau'r ymchwil anhygoel hon.
Canlyniadau ymchwil
Yn gyntaf oll, gadewch inni ddod yn gyfarwydd â nodweddion microstrwythurol ac optegol yr heterostructures vdW a ddefnyddir yn yr astudiaeth hon.
Delwedd #1
Ar y ddelwedd 1 yn dangos diagram trawstoriadol o heterostrwythur pedair haen sy'n cynnwys (o'r brig i'r gwaelod): graphene (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 a swbstrad SiO2/Si. I sganio pob haen ar yr un pryd, defnyddiwch laser Raman* gyda thonfedd o 532 nm.
laser Raman* - math o laser lle mai gwasgariad Raman yw prif fecanwaith ymhelaethu golau.
Raman yn gwasgaru, yn ei dro, yw gwasgariad anelastig ymbelydredd optegol ar foleciwlau sylwedd, sy'n cyd-fynd â newid sylweddol yn amlder yr ymbelydredd.
Defnyddiwyd sawl dull i gadarnhau homogenedd microstrwythurol, thermol a thrydanol heterostructures: sganio microsgopeg electron trawsyrru (STEM), sbectrosgopeg ffotoymoleuedd (PL), microsgopeg stiliwr Kelvin (KPM), sganio microsgopeg thermol (SThM), yn ogystal â sbectrosgopeg Raman a thermometreg.
Изображение 1b yn dangos sbectrwm Raman heterostructure Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 i ni ar swbstrad SiO2/Si yn y lleoliad sydd wedi’i farcio â dot coch. Mae'r plot hwn yn dangos llofnod pob monolayer yn yr arae haenau, yn ogystal â llofnod y swbstrad Si.
Ar 1c-1f dangosir delweddau maes tywyll STEM o heterostructure Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 (1c) a heterostrwythurau Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) gyda gwahanol gyfeiriadau dellt. Mae delweddau STEM yn dangos bylchau vdW sy'n cau'n atomig heb unrhyw halogiad, gan ganiatáu i drwch cyffredinol yr heterostrwythurau hyn fod yn gwbl weladwy. Cadarnhawyd presenoldeb cyplu rhynghaenog hefyd dros ardaloedd sganio mawr gan ddefnyddio sbectrosgopeg ffotoymoleuedd (PL).1g). Mae signal ffotoluminescent haenau unigol y tu mewn i'r heterostructure yn cael ei atal yn sylweddol o'i gymharu â signal monolayer ynysig. Esbonnir hyn gan y broses o drosglwyddo tâl interlayer oherwydd rhyngweithio interlayer agos, sy'n dod yn gryfach fyth ar ôl anelio.
Delwedd #2
Er mwyn mesur y llif gwres yn berpendicwlar i awyrennau atomig yr heterostructure, roedd yr amrywiaeth o haenau wedi'u strwythuro ar ffurf dyfeisiau trydanol pedwar-chwiliwr. Mae haen uchaf graphene yn cysylltu ag electrodau palladium (Pd) ac yn cael ei ddefnyddio fel gwresogydd ar gyfer mesuriadau thermometreg Raman.
Mae'r dull gwresogi trydanol hwn yn darparu mesuriad manwl gywir o bŵer mewnbwn. Byddai dull gwresogi posibl arall, optegol, yn anos i'w weithredu oherwydd anwybodaeth am gyfernodau amsugno haenau unigol.
Ar 2 yn dangos cylched mesur pedwar-chwiliwr, a 2b yn dangos golygfa uchaf o'r strwythur sy'n cael ei brofi. Atodlen 2c yn dangos nodweddion trosglwyddo gwres mesuredig ar gyfer tair dyfais, un yn cynnwys graphene yn unig a dau yn cynnwys araeau haenau Gr/WSe22 a Gr/MoSe2/WSe22. Mae pob amrywiad yn dangos ymddygiad ambipolar graphene, sy'n gysylltiedig ag absenoldeb bwlch band.
Canfuwyd hefyd bod dargludiad a gwresogi cerrynt yn digwydd yn yr haen uchaf (graphene), gan fod ei ddargludedd trydanol yn sawl gradd o faint yn uwch na MoS2 a WSe22.
Cymerwyd mesuriadau microsgopeg stiliwr Kelvin (KPM) a sganio microsgopeg thermol (SThM) i ddangos homogenedd y dyfeisiau a brofwyd. Ar y siart 2d Dangosir mesuriadau KPM sy'n datgelu'r dosbarthiad potensial llinol. Dangosir canlyniadau'r dadansoddiad SThM yn 2au. Yma gwelwn fap o sianeli Gr/MoS2/WSe22 wedi'u gwresogi'n drydanol, yn ogystal â phresenoldeb unffurfiaeth mewn gwresogi arwyneb.
Cadarnhaodd y technegau sganio a ddisgrifir uchod, yn enwedig SThM, homogenedd y strwythur dan sylw, hynny yw, ei homogenedd, o ran tymereddau. Y cam nesaf oedd meintioli tymheredd pob un o'r haenau cyfansoddol gan ddefnyddio sbectrosgopeg Raman (h.y., sbectrosgopeg Raman).
Profwyd y tair dyfais, pob un ag arwynebedd o ~40 µm2. Yn yr achos hwn, newidiodd pŵer y gwresogydd 9 mW, ac roedd y pŵer laser a amsugnwyd yn is na ~5 μW gydag ardal sbot laser o ~0.5 μm2.
Delwedd #3
Ar y siart 3 mae cynnydd yn nhymheredd (∆T) pob haen a swbstrad yn weladwy wrth i bŵer y gwresogydd yn heterostructure Gr/MoS2/WSe22 gynyddu.
Mae llethrau'r ffwythiant llinellol ar gyfer pob deunydd (haen) yn dynodi'r gwrthiant thermol (Rth=∆T/P) rhwng yr haen unigol a'r sinc gwres. O ystyried dosbarthiad unffurf gwresogi dros yr ardal, gellir dadansoddi ymwrthedd thermol yn hawdd o'r gwaelod i'r haen uchaf, pan fydd eu gwerthoedd yn cael eu normaleiddio gan ardal y sianel (WL).
L a W yw hyd a lled y sianel, sy'n sylweddol fwy na thrwch y swbstrad SiO2 a'r hyd gwresogi thermol ochrol, sef ~ 0.1 μm.
Felly, gallwn ddeillio'r fformiwla ar gyfer ymwrthedd thermol y swbstrad Si, a fydd yn edrych fel hyn:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
Yn y sefyllfa hon kSi ≈ 90 W m−1 K−1, sef y dargludedd thermol disgwyliedig swbstrad dop mor uchel.
Y gwahaniaeth rhwng Rth, WSe2 a Rth,Si yw cyfanswm y gwrthiant thermol o 2 nm SiO100 trwchus a gwrthiant ffin thermol (TBR) y rhyngwyneb WSe2/SiO2.
Gan roi'r holl agweddau uchod at ei gilydd, gallwn sefydlu bod Rth, MoS2 − Rth, WSe2 = TBRMoS2/WSe2, a Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Felly, o'r graff 3 mae'n bosibl echdynnu'r gwerth TBR ar gyfer pob un o'r rhyngwynebau WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 a Gr/MoS2.
Nesaf, cymharodd y gwyddonwyr gyfanswm ymwrthedd thermol yr holl heterostructures, a fesurwyd gan ddefnyddio sbectrosgopeg Raman a microsgopeg thermol (3b).
Roedd heterostrwythurau dwy haen a thrihaenog ar SiO2 yn arddangos ymwrthedd thermol effeithiol yn yr ystod o 220 i 280 m2 K/GW ar dymheredd ystafell, sy'n cyfateb i wrthwynebiad thermol SiO2 gyda thrwch o 290 i 360 nm. Er gwaethaf y ffaith nad yw trwch yr heterostructures sy'n cael eu hastudio yn fwy na 2 nm (1d-1f), eu dargludedd thermol yw 0.007-0.009 W m−1 K−1 ar dymheredd ystafell.
Delwedd #4
Mae Delwedd 4 yn dangos mesuriadau'r pedwar strwythur a dargludedd ffin thermol (TBC) eu rhyngwynebau, sy'n ein galluogi i werthuso graddau dylanwad pob haen ar yr ymwrthedd thermol a fesurwyd yn flaenorol (I'w gadarnhau = 1 / TBR).
Mae'r ymchwilwyr yn nodi mai hwn yw'r mesuriad cyntaf erioed i'w gadarnhau ar gyfer rhyngwynebau agos atomig rhwng haenau mono ar wahân (2D/2D), yn benodol rhwng haenau mono WSe2 a SiO2.
Mae TBC rhyngwyneb monolayer WSe2/SiO2 yn is na rhyngwyneb amlhaenog WSe2/SiO2, nad yw'n syndod gan fod gan y monolayer lawer llai o foddau ffonon plygu ar gael i'w trosglwyddo. Yn syml, mae TBC y rhyngwyneb rhwng haenau 2D yn is na I'w gadarnhau y rhyngwyneb rhwng yr haen 2D a'r swbstrad 3D SiO2 (4b).
I gael adnabyddiaeth fanylach o naws yr astudiaeth, rwy'n argymell edrych arno и iddo fe.
Epilogue
Mae'r ymchwil hwn, fel y mae'r gwyddonwyr eu hunain yn honni, yn rhoi gwybodaeth inni y gellir ei chymhwyso wrth weithredu rhyngwynebau thermol atomig. Dangosodd y gwaith hwn y posibilrwydd o greu metaddeunyddiau sy'n inswleiddio gwres nad yw eu priodweddau i'w cael ym myd natur. Yn ogystal, cadarnhaodd yr astudiaeth hefyd y posibilrwydd o wneud mesuriadau tymheredd manwl gywir o strwythurau o'r fath, er gwaethaf graddfa atomig yr haenau.
Gall yr heterostrwythurau a ddisgrifir uchod ddod yn sail i “darianau” thermol hynod o ysgafn a chryno, a all, er enghraifft, dynnu gwres o fannau poeth mewn electroneg. Yn ogystal, gellir defnyddio'r dechnoleg hon mewn generaduron thermodrydanol neu ddyfeisiau a reolir yn thermol, gan gynyddu eu perfformiad.
Mae'r astudiaeth hon unwaith eto yn cadarnhau bod gan wyddoniaeth fodern ddiddordeb difrifol yn yr egwyddor o "effeithlonrwydd mewn gwniadur," na ellir ei alw'n syniad gwirion, o ystyried adnoddau cyfyngedig y blaned a'r twf parhaus yn y galw am bob math o ddatblygiadau technolegol.
Diolch am eich sylw, cadwch yn chwilfrydig a chael wythnos wych pawb! 🙂
Diolch am aros gyda ni. Ydych chi'n hoffi ein herthyglau? Eisiau gweld cynnwys mwy diddorol? Cefnogwch ni trwy osod archeb neu argymell i ffrindiau, Gostyngiad o 30% i ddefnyddwyr Habr ar analog unigryw o weinyddion lefel mynediad, a ddyfeisiwyd gennym ni ar eich cyfer chi: (ar gael gyda RAID1 a RAID10, hyd at 24 craidd a hyd at 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 gwaith yn rhatach? Dim ond yma yn yr Iseldiroedd! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - o $99! Darllenwch am
Ffynhonnell: hab.com