Viele Spieler auf der ganzen Welt, die die Xbox 360-Ära erlebt haben, kennen die Situation, als sich ihre Konsole in eine Bratpfanne verwandelte, in der sie Eier braten konnten. Eine ähnlich traurige Situation tritt nicht nur bei Spielekonsolen auf, sondern auch bei Telefonen, Laptops, Tablets und vielem mehr. Grundsätzlich kann fast jedes elektronische Gerät einen Thermoschock erleiden, der nicht nur zum Ausfall und zur Verärgerung seines Besitzers, sondern auch zum „schlechten Knall“ der Batterie und zu schweren Verletzungen führen kann. Heute lernen wir eine Studie kennen, in der Wissenschaftler der Stanford University wie Nick Fury aus den Comics einen Schutzschild entwickelt haben, der hitzeempfindliche elektronische Teile vor Überhitzung schützt und dadurch deren Ausfall verhindert. Wie ist es den Wissenschaftlern gelungen, einen Hitzeschild zu schaffen, was sind seine Hauptbestandteile und wie effektiv ist er? Dies und mehr erfahren wir aus dem Bericht der Forschungsgruppe. Gehen.
Forschungsgrundlage
Das Problem der Überhitzung ist seit langem bekannt und wird von Wissenschaftlern auf vielfältige Weise gelöst. Zu den beliebtesten zählen die Verwendung von Glas, Kunststoff und sogar Luftschichten, die als eine Art Isolator für Wärmestrahlung dienen. In der modernen Realität kann diese Methode verbessert werden, indem die Dicke der Schutzschicht auf mehrere Atome reduziert wird, ohne dass ihre Wärmedämmeigenschaften verloren gehen. Genau das haben die Forscher getan.
Die Rede ist natürlich von Nanomaterialien. Allerdings wurde ihr Einsatz in der Wärmedämmung bisher dadurch erschwert, dass die Wellenlänge von Kühlmitteln (Phononen*) ist deutlich kürzer als die von Elektronen oder Photonen.
Phonon* - ein Quasiteilchen, das ein Quant der Schwingungsbewegung von Kristallatomen ist.
Darüber hinaus ist es aufgrund der bosonischen Natur von Phononen unmöglich, sie durch Spannung zu steuern (wie dies bei Ladungsträgern der Fall ist), was es im Allgemeinen schwierig macht, die Wärmeübertragung in Festkörpern zu steuern.
Früher wurden die thermischen Eigenschaften von Festkörpern, wie Forscher uns erinnern, aufgrund struktureller Unordnung und Grenzflächen mit hoher Dichte durch Nanolaminatfilme und Übergitter oder aufgrund starker Phononenstreuung durch Silizium- und Germanium-Nanodrähte gesteuert.
Wissenschaftler sind zuversichtlich, einer Reihe der oben beschriebenen Wärmedämmmethoden zweidimensionale Materialien zuzuordnen, deren Dicke mehrere Atome nicht überschreitet, wodurch sie auf atomarer Ebene leicht zu kontrollieren sind. In ihrer Studie verwendeten sie van der Waals (vdW) Anordnung atomar dünner 2D-Schichten, um in ihrer gesamten Heterostruktur einen sehr hohen thermischen Widerstand zu erreichen.
Van-der-Waals-Kräfte* — intermolekulare/interatomare Wechselwirkungskräfte mit einer Energie von 10-20 kJ/mol.
Die neue Technik ermöglichte es, in einer 2 nm dicken vdW-Heterostruktur einen thermischen Widerstand zu erzielen, der mit dem einer 2 nm dicken SiO300-Schicht (Siliziumdioxid) vergleichbar ist.
Darüber hinaus ist es durch die Verwendung von vdW-Heterostrukturen möglich geworden, die thermischen Eigenschaften auf atomarer Ebene durch die Schichtung heterogener XNUMXD-Monoschichten mit unterschiedlichen Atommassendichten und Schwingungsmoden zu kontrollieren.
Ziehen wir also nicht an den Schnurrhaaren und beginnen wir, über die Ergebnisse dieser erstaunlichen Forschung nachzudenken.
Ergebnisse der Studie
Machen wir uns zunächst mit den mikrostrukturellen und optischen Eigenschaften der in dieser Studie verwendeten vdW-Heterostrukturen vertraut.
Bild #1
Auf dem Bild 1a zeigt ein Querschnittsdiagramm einer vierschichtigen Heterostruktur bestehend aus (von oben nach unten): Graphen (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 und einem SiO2/Si-Substrat. Um alle Ebenen gleichzeitig zu scannen, verwenden Sie Raman-Laser* mit einer Wellenlänge von 532 nm.
Raman-Laser* - ein Lasertyp, bei dem der Hauptmechanismus der Lichtverstärkung die Raman-Streuung ist.
Raman-Streuungwiederum ist die inelastische Streuung optischer Strahlung an den Molekülen eines Stoffes, die mit einer deutlichen Änderung der Frequenz der Strahlung einhergeht.
Zur Bestätigung der mikrostrukturellen, thermischen und elektrischen Homogenität von Heterostrukturen wurden mehrere Methoden eingesetzt: Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM), Photolumineszenzspektroskopie (PL), Kelvin-Sondenmikroskopie (KPM), Rasterthermomikroskopie (SThM) sowie Raman-Spektroskopie und Thermometrie.
Bild 1b zeigt uns das Raman-Spektrum einer Gr/MoSe2/MoS2/WSe22-Heterostruktur auf einem SiO2/Si-Substrat an der mit einem roten Punkt markierten Stelle. Dieses Diagramm zeigt die Signatur jeder Monoschicht im Schichtarray sowie die Signatur des Si-Substrats.
Auf 1c-1f Dargestellt sind Dunkelfeld-STEM-Bilder der Gr/MoSe2/MoS2/WSe22-Heterostruktur (1с) und Gr/MoS2/WSe22-Heterostrukturen (1d-1f) mit unterschiedlichen Gitterorientierungen. STEM-Bilder zeigen atomar dichte vdW-Lücken ohne jegliche Kontamination, sodass die Gesamtdicke dieser Heterostrukturen vollständig sichtbar ist. Das Vorhandensein einer Zwischenschichtkopplung wurde auch über große Scanbereiche mithilfe der Photolumineszenzspektroskopie (PL) bestätigt (1g). Das Photolumineszenzsignal einzelner Schichten innerhalb der Heterostruktur wird im Vergleich zum Signal einer isolierten Monoschicht deutlich unterdrückt. Dies wird durch den Prozess des Ladungstransfers zwischen den Schichten aufgrund der engen Wechselwirkung zwischen den Schichten erklärt, der nach dem Tempern noch stärker wird.
Bild #2
Um den Wärmefluss senkrecht zu den Atomebenen der Heterostruktur zu messen, wurde die Schichtanordnung in Form von elektrischen Geräten mit vier Sonden strukturiert. Die obere Graphenschicht kontaktiert Palladium (Pd)-Elektroden und wird als Heizung für Raman-Thermometriemessungen verwendet.
Diese elektrische Heizmethode ermöglicht eine präzise Quantifizierung der Eingangsleistung. Eine andere mögliche Heizmethode, die optische, wäre aufgrund der Unkenntnis der Absorptionskoeffizienten einzelner Schichten schwieriger umzusetzen.
Auf 2a zeigt eine Vier-Sonden-Messschaltung und 2b zeigt eine Draufsicht der zu testenden Struktur. Zeitplan 2с zeigt gemessene Wärmeübertragungseigenschaften für drei Geräte, von denen eines nur Graphen enthält und zwei Gr/WSe22- und Gr/MoSe2/WSe22-Schichtanordnungen enthalten. Alle Varianten zeigen ein ambipolares Verhalten von Graphen, das mit dem Fehlen einer Bandlücke verbunden ist.
Es wurde auch festgestellt, dass Stromleitung und Erwärmung in der oberen Schicht (Graphen) stattfinden, da deren elektrische Leitfähigkeit um mehrere Größenordnungen höher ist als die von MoS2 und WSe22.
Um die Homogenität der getesteten Geräte nachzuweisen, wurden Messungen mittels Kelvin-Sondenmikroskopie (KPM) und Rasterthermomikroskopie (SThM) durchgeführt. Auf der Karte 2d KPM-Messungen werden angezeigt und zeigen die lineare Potenzialverteilung. Die Ergebnisse der SThM-Analyse sind in dargestellt 2е. Hier sehen wir eine Karte elektrisch beheizter Gr/MoS2/WSe22-Kanäle sowie das Vorhandensein einer Gleichmäßigkeit bei der Oberflächenerwärmung.
Die oben beschriebenen Scantechniken, insbesondere SThM, bestätigten die Homogenität der untersuchten Struktur, d. h. ihre Homogenität hinsichtlich der Temperaturen. Der nächste Schritt bestand darin, die Temperatur jeder einzelnen Schicht mithilfe der Raman-Spektroskopie (d. h. Raman-Spektroskopie) zu quantifizieren.
Alle drei Geräte wurden getestet, jedes mit einer Fläche von ~40 µm2. In diesem Fall änderte sich die Heizleistung um 9 mW und die absorbierte Laserleistung lag unter ~5 μW bei einer Laserpunktfläche von ~0.5 μm2.
Bild #3
Auf dem Diagramm 3a Ein Anstieg der Temperatur (∆T) jeder Schicht und jedes Substrats ist sichtbar, wenn die Heizleistung in der Gr/MoS2/WSe22-Heterostruktur zunimmt.
Die Steigungen der linearen Funktion für jedes Material (Schicht) geben den Wärmewiderstand (Rth=∆T/P) zwischen der einzelnen Schicht und dem Kühlkörper an. Aufgrund der gleichmäßigen Verteilung der Erwärmung über die Fläche können Wärmewiderstände leicht von der unteren bis zur oberen Schicht analysiert werden, wobei ihre Werte durch die Kanalfläche (WL) normiert werden.
L und W sind die Kanallänge und -breite, die deutlich größer sind als die Dicke des SiO2-Substrats und die laterale thermische Erwärmungslänge, die ~0.1 μm beträgt.
Daher können wir die Formel für den Wärmewiderstand des Si-Substrats ableiten, die wie folgt aussieht:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
In dieser Situation kSi ≈ 90 W m−1 K−1, was der erwarteten Wärmeleitfähigkeit eines solch hochdotierten Substrats entspricht.
Der Unterschied zwischen Rth,WSe2 und Rth,Si ist die Summe des thermischen Widerstands von 2 nm dickem SiO100 und des thermischen Grenzflächenwiderstands (TBR) der WSe2/SiO2-Grenzfläche.
Wenn wir alle oben genannten Aspekte zusammenfassen, können wir feststellen, dass Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2 und Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Daher aus der Grafik 3a Es ist möglich, den TBR-Wert für jede der Schnittstellen WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 und Gr/MoS2 zu extrahieren.
Als nächstes verglichen die Wissenschaftler den gesamten Wärmewiderstand aller Heterostrukturen, gemessen mittels Raman-Spektroskopie und Thermomikroskopie (3b).
Zweischichtige und dreischichtige Heterostrukturen auf SiO2 zeigten einen effektiven Wärmewiderstand im Bereich von 220 bis 280 m2 K/GW bei Raumtemperatur, was dem Wärmewiderstand von SiO2 mit einer Dicke von 290 bis 360 nm entspricht. Trotz der Tatsache, dass die Dicke der untersuchten Heterostrukturen 2 nm nicht überschreitet (1d-1f) beträgt ihre Wärmeleitfähigkeit 0.007–0.009 W m−1 K−1 bei Raumtemperatur.
Bild #4
Bild 4 zeigt die Messungen aller vier Strukturen und der thermischen Grenzleitfähigkeit (TBC) ihrer Grenzflächen, was uns ermöglicht, den Grad des Einflusses jeder Schicht auf den zuvor gemessenen thermischen Widerstand (TBC = 1 / TBR) zu bewerten.
Die Forscher stellen fest, dass dies die erste TBC-Messung für atomar enge Grenzflächen zwischen separaten Monoschichten (2D/2D), insbesondere zwischen WSe2- und SiO2-Monoschichten, ist.
Die TBC einer einschichtigen WSe2/SiO2-Grenzfläche ist niedriger als die einer mehrschichtigen WSe2/SiO2-Grenzfläche, was nicht überraschend ist, da die Monoschicht deutlich weniger Biegephononenmodi für die Übertragung zur Verfügung hat. Einfach ausgedrückt ist die TBC der Grenzfläche zwischen 2D-Schichten niedriger als die TBC der Grenzfläche zwischen der 2D-Schicht und dem 3D-SiO2-Substrat (4b).
Für eine detailliertere Bekanntschaft mit den Nuancen der Studie empfehle ich einen Blick auf и zu ihm.
Letzter Akt
Diese Forschung liefert uns, wie die Wissenschaftler selbst behaupten, Erkenntnisse, die bei der Implementierung atomarer thermischer Schnittstellen angewendet werden können. Diese Arbeit zeigte die Möglichkeit auf, wärmeisolierende Metamaterialien herzustellen, deren Eigenschaften in der Natur nicht vorkommen. Darüber hinaus bestätigte die Studie auch die Möglichkeit, trotz der atomaren Größenordnung der Schichten präzise Temperaturmessungen an solchen Strukturen durchzuführen.
Die oben beschriebenen Heterostrukturen können die Grundlage für ultraleichte und kompakte thermische „Schutzschilde“ werden, die beispielsweise in der Lage sind, Wärme von heißen Stellen in der Elektronik abzuleiten. Darüber hinaus kann diese Technologie in thermoelektrischen Generatoren oder thermisch gesteuerten Geräten eingesetzt werden und so deren Leistung steigern.
Diese Studie bestätigt einmal mehr, dass die moderne Wissenschaft ernsthaft am Prinzip der „Effizienz im Fingerhut“ interessiert ist, was angesichts der begrenzten Ressourcen des Planeten und der kontinuierlich wachsenden Nachfrage nach technologischen Innovationen aller Art nicht als dumme Idee bezeichnet werden kann.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und wünschen Ihnen allen eine tolle Woche! 🙂
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Source: habr.com