Mange spillere rundt om i verden, der oplevede Xbox 360-æraen, kender godt situationen, hvor deres konsol blev til en stegepande, hvorpå de kunne stege æg. En lignende trist situation opstår ikke kun med spillekonsoller, men også med telefoner, bærbare computere, tablets og meget mere. I princippet kan næsten enhver elektronisk enhed opleve termisk chok, hvilket ikke kun kan føre til dens svigt og forstyrrelse af sin ejer, men også til den "dårlige boom" af batteriet og alvorlig skade. I dag vil vi stifte bekendtskab med en undersøgelse, hvor forskere fra Stanford University, ligesom Nick Fury fra tegneserierne, har skabt et skjold, der beskytter varmefølsomme elektroniske dele mod overophedning og som et resultat forhindrer deres nedbrydning. Hvordan lykkedes det forskerne at skabe et termisk skjold, hvad er dets hovedkomponenter, og hvor effektivt er det? Vi lærer om dette og mere fra forskningsgruppens rapport. Gå.
Forskningsgrundlag
Problemet med overophedning har været kendt i meget lang tid, og forskere løser det på en række forskellige måder. Nogle af de mest populære er brugen af glas, plastik og endda lag af luft, som tjener som en slags isolatorer af termisk stråling. I moderne virkelighed kan denne metode forbedres ved at reducere tykkelsen af det beskyttende lag til flere atomer uden at miste dets varmeisoleringsegenskaber. Det var præcis, hvad forskerne gjorde.
Vi taler selvfølgelig om nanomaterialer. Imidlertid var deres anvendelse i termisk isolering tidligere kompliceret af det faktum, at bølgelængden af kølemidler (fononer*) er væsentligt kortere end elektroner eller fotoner.
Phonon* - en kvasipartikel, som er et kvantetal af krystalatomers vibrationsbevægelse.
På grund af fononernes bosoniske natur er det desuden umuligt at styre dem med spænding (som det gøres med ladningsbærere), hvilket generelt gør det vanskeligt at kontrollere varmeoverførsel i faste stoffer.
Tidligere blev de termiske egenskaber af faste stoffer, som forskere minder os om, kontrolleret gennem nanolaminatfilm og supergitter på grund af strukturel uorden og grænseflader med høj tæthed eller gennem silicium og germanium nanotråde på grund af stærk fononspredning.
Til en række af de ovenfor beskrevne termiske isoleringsmetoder er forskerne med tillid klar til at tilskrive todimensionelle materialer, hvis tykkelse ikke overstiger flere atomer, hvilket gør dem nemme at kontrollere i atomskala. I deres undersøgelse brugte de van der Waals (vdW) samling af atomisk tynde 2D-lag for at opnå meget høj termisk modstand i hele deres heterostruktur.
Van der Waals styrker* — intermolekylære/interatomiske interaktionskræfter med en energi på 10-20 kJ/mol.
Den nye teknik gjorde det muligt at opnå termisk modstand i en 2 nm tyk vdW heterostruktur, der kan sammenlignes med den i et 2 nm tykt SiO300 (siliciumdioxid) lag.
Derudover har brugen af vdW-heterostrukturer gjort det muligt at opnå kontrol over termiske egenskaber på atomniveau gennem lagdeling af heterogene XNUMXD-monolag med forskellige atommassetætheder og vibrationstilstande.
Så lad os ikke trække i kattens knurhår og lad os begynde at overveje resultaterne af denne fantastiske forskning.
Forskningsresultater
Lad os først og fremmest stifte bekendtskab med de mikrostrukturelle og optiske egenskaber ved de vdW-heterostrukturer, der bruges i denne undersøgelse.
Billede #1
På billedet 1a viser et tværsnitsdiagram af en firelags heterostruktur bestående af (fra top til bund): grafen (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 og et SiO2/Si-substrat. For at scanne alle lag samtidigt, brug Raman laser* med en bølgelængde på 532 nm.
Raman laser* - en type laser, hvor hovedmekanismen for lysforstærkning er Raman-spredning.
Raman-spredning, til gengæld er den uelastiske spredning af optisk stråling på et stofs molekyler, som er ledsaget af en væsentlig ændring i strålingens frekvens.
Adskillige metoder blev brugt til at bekræfte den mikrostrukturelle, termiske og elektriske homogenitet af heterostrukturer: scanning transmission elektronmikroskopi (STEM), fotoluminescensspektroskopi (PL), Kelvin probe mikroskopi (KPM), scanning termisk mikroskopi (SThM), samt Raman spektroskopi og termometri.
Изображение 1b viser os Raman-spektret af en Gr/MoSe2/MoS2/WSe22-heterostruktur på et SiO2/Si-substrat på stedet markeret med en rød prik. Dette plot viser signaturen af hvert monolag i lagarrayet, såvel som signaturen af Si-substratet.
On 1c—1f dark-field STEM billeder af Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 heterostrukturen er vist (1 с) og Gr/MoS2/WSe22 heterostrukturer (1d—1f) med forskellige gitterorienteringer. STEM-billeder viser atomisk tætte vdW-gab uden nogen forurening, hvilket gør det muligt at se den samlede tykkelse af disse heterostrukturer fuldt ud. Tilstedeværelsen af mellemlagskobling blev også bekræftet over store scanningsområder ved hjælp af fotoluminescens (PL) spektroskopi (1g). Det fotoluminescerende signal fra individuelle lag inde i heterostrukturen er signifikant undertrykt sammenlignet med signalet fra et isoleret monolag. Dette forklares af processen med mellemlagsladningsoverførsel på grund af tæt interlagsinteraktion, som bliver endnu stærkere efter udglødning.
Billede #2
For at måle varmestrømmen vinkelret på heterostrukturens atomplaner blev rækken af lag struktureret i form af fire-sonde elektriske enheder. Det øverste lag af grafen kontakter palladium (Pd) elektroder og bruges som varmelegeme til Raman termometrimålinger.
Denne elektriske opvarmningsmetode giver præcis kvantificering af indgangseffekt. En anden mulig opvarmningsmetode, optisk, ville være vanskeligere at implementere på grund af uvidenhed om de individuelle lags absorptionskoefficienter.
On 2a viser et fire-sonde målekredsløb, og 2b viser et topbillede af strukturen, der testes. Tidsplan 2 с viser målte varmeoverførselskarakteristika for tre enheder, en der kun indeholder grafen og to der indeholder Gr/WSe22- og Gr/MoSe2/WSe22-lagarrays. Alle varianter viser ambipolær opførsel af grafen, som er forbundet med fraværet af et båndgab.
Det blev også fundet, at strømledning og opvarmning forekommer i det øvre lag (grafen), da dets elektriske ledningsevne er flere størrelsesordener højere end MoS2 og WSe22.
For at demonstrere homogeniteten af de testede enheder blev målinger taget ved hjælp af Kelvin probe mikroskopi (KPM) og scanning termisk mikroskopi (SThM). På diagrammet 2d KPM-målinger vises og afslører den lineære potentialfordeling. Resultaterne af SThM-analysen er vist i 2'erne. Her ser vi et kort over elektrisk opvarmede Gr/MoS2/WSe22 kanaler, samt tilstedeværelsen af ensartethed i overfladeopvarmning.
De ovenfor beskrevne scanningsteknikker, især SThM, bekræftede homogeniteten af den undersøgte struktur, det vil sige dens homogenitet, hvad angår temperaturer. Det næste trin var at kvantificere temperaturen af hvert af de konstituerende lag ved hjælp af Raman-spektroskopi (dvs. Raman-spektroskopi).
Alle tre enheder blev testet, hver med et areal på ~40 µm2. I dette tilfælde ændrede varmelegemet sig med 9 mW, og den absorberede lasereffekt var under ~5 μW med et laserpunktsareal på ~0.5 μm2.
Billede #3
På diagrammet 3a en stigning i temperatur (∆T) af hvert lag og substrat er synlig, når varmeeffekten i Gr/MoS2/WSe22-heterostrukturen stiger.
Hældningerne af den lineære funktion for hvert materiale (lag) angiver den termiske modstand (Rth=∆T/P) mellem det enkelte lag og kølepladen. På grund af den ensartede fordeling af opvarmning over området kan termiske modstande let analyseres fra bunden til det øverste lag, hvor deres værdier normaliseres af kanalområdet (WL).
L og W er kanallængden og -bredden, som er væsentligt større end tykkelsen af SiO2-substratet og den laterale termiske opvarmningslængde, som er ~0.1 μm.
Derfor kan vi udlede formlen for Si-substratets termiske modstand, som vil se sådan ud:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
I denne situation kSi ≈ 90 W m−1 K−1, hvilket er den forventede varmeledningsevne af et sådant stærkt doteret substrat.
Forskellen mellem Rth,WSe2 og Rth,Si er summen af den termiske modstand på 2 nm tyk SiO100 og den termiske grænsemodstand (TBR) af WSe2/SiO2-grænsefladen.
Ved at sætte alle ovenstående aspekter sammen kan vi fastslå, at Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, og Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Derfor ud fra grafen 3a det er muligt at udtrække TBR-værdien for hver af WSe2/SiO2-, MoS2/WSe2- og Gr/MoS2-grænsefladerne.
Dernæst sammenlignede forskerne den totale termiske modstand af alle heterostrukturer, målt ved hjælp af Raman-spektroskopi og termisk mikroskopi (3b).
Tolags- og trelags heterostrukturer på SiO2 udviste effektiv termisk modstand i området 220 til 280 m2 K/GW ved stuetemperatur, hvilket svarer til den termiske modstand af SiO2 med en tykkelse på 290 til 360 nm. På trods af at tykkelsen af heterostrukturerne under undersøgelse ikke overstiger 2 nm (1d—1f), deres varmeledningsevne er 0.007-0.009 W m−1 K−1 ved stuetemperatur.
Billede #4
Billede 4 viser målingerne af alle fire strukturer og den termiske grænsekonduktivitet (TBC) af deres grænseflader, hvilket giver os mulighed for at evaluere graden af indflydelse af hvert lag på den tidligere målte termiske modstand (TBC = 1 / TBR).
Forskerne bemærker, at dette er den første TBC-måling nogensinde for atomisk tætte grænseflader mellem separate monolag (2D/2D), specifikt mellem WSe2 og SiO2 monolag.
TBC'en for en enkeltlags WSe2/SiO2-grænseflade er lavere end den for en flerlags WSe2/SiO2-grænseflade, hvilket ikke er overraskende, da monolaget har betydeligt færre bøjningsfonontilstande til rådighed til transmission. Kort sagt er TBC'en for grænsefladen mellem 2D-lag lavere end TBC'en for grænsefladen mellem 2D-laget og 3D SiO2-substratet (4b).
For et mere detaljeret bekendtskab med nuancerne i undersøgelsen, anbefaler jeg at se på и til ham.
Epilog
Denne forskning, som forskerne selv hævder, giver os viden, der kan anvendes i implementeringen af atomare termiske grænseflader. Dette arbejde viste muligheden for at skabe varmeisolerende metamaterialer, hvis egenskaber ikke findes i naturen. Derudover bekræftede undersøgelsen også muligheden for at udføre præcise temperaturmålinger af sådanne strukturer på trods af lagenes atomare skala.
De heterostrukturer, der er beskrevet ovenfor, kan blive grundlaget for ultralette og kompakte termiske "skjolde", der for eksempel er i stand til at fjerne varme fra hot spots i elektronik. Derudover kan denne teknologi bruges i termoelektriske generatorer eller termisk styrede enheder, hvilket øger deres ydeevne.
Denne undersøgelse bekræfter endnu en gang, at moderne videnskab er seriøst interesseret i princippet om "effektivitet i et fingerbøl", som ikke kan kaldes en dum idé, givet planetens begrænsede ressourcer og den fortsatte vækst i efterspørgslen efter alle slags teknologiske innovationer.
Tak fordi du læste med, bliv nysgerrig og hav en god uge gutter! 🙂
Tak fordi du blev hos os. Kan du lide vores artikler? Vil du se mere interessant indhold? Støt os ved at afgive en ordre eller anbefale til venner, 30% rabat til Habr-brugere på en unik analog af entry-level servere, som er opfundet af os til dig: (tilgængelig med RAID1 og RAID10, op til 24 kerner og op til 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 gange billigere? Kun her i Holland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra $99! Læse om
Kilde: www.habr.com