Πολλοί παίκτες σε όλο τον κόσμο που βίωσαν την εποχή του Xbox 360 είναι πολύ εξοικειωμένοι με την κατάσταση όταν η κονσόλα τους μετατράπηκε σε τηγάνι στο οποίο μπορούσαν να τηγανίσουν αυγά. Μια παρόμοια θλιβερή κατάσταση συμβαίνει όχι μόνο με τις κονσόλες παιχνιδιών, αλλά και με τηλέφωνα, φορητούς υπολογιστές, tablet και πολλά άλλα. Κατ 'αρχήν, σχεδόν κάθε ηλεκτρονική συσκευή μπορεί να υποστεί θερμικό σοκ, το οποίο μπορεί να οδηγήσει όχι μόνο σε αστοχία και αναστάτωση του ιδιοκτήτη της, αλλά και σε "κακή έκρηξη" της μπαταρίας και σοβαρό τραυματισμό. Σήμερα θα εξοικειωθούμε με μια μελέτη στην οποία επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, όπως ο Nick Fury από τα κόμικς, δημιούργησαν μια ασπίδα που προστατεύει τα ευαίσθητα στη θερμότητα ηλεκτρονικά μέρη από την υπερθέρμανση και, ως εκ τούτου, τα εμποδίζει να σπάσουν. Πώς κατάφεραν οι επιστήμονες να δημιουργήσουν μια θερμική ασπίδα, ποια είναι τα κύρια συστατικά της και πόσο αποτελεσματική είναι; Μαθαίνουμε για αυτό και περισσότερα από την έκθεση της ερευνητικής ομάδας. Πηγαίνω.
Ερευνητική βάση
Το πρόβλημα της υπερθέρμανσης είναι γνωστό εδώ και πολύ καιρό και οι επιστήμονες το λύνουν με διάφορους τρόπους. Μερικά από τα πιο δημοφιλή είναι η χρήση γυαλιού, πλαστικού, ακόμη και στρωμάτων αέρα, που χρησιμεύουν ως ένα είδος μονωτή της θερμικής ακτινοβολίας. Στη σύγχρονη πραγματικότητα, αυτή η μέθοδος μπορεί να βελτιωθεί μειώνοντας το πάχος του προστατευτικού στρώματος σε πολλά άτομα χωρίς να χάσει τις θερμομονωτικές του ιδιότητες. Αυτό ακριβώς έκαναν οι ερευνητές.
Μιλάμε φυσικά για νανοϋλικά. Ωστόσο, η χρήση τους στη θερμομόνωση ήταν προηγουμένως περίπλοκη από το γεγονός ότι το μήκος κύματος των ψυκτικών (ηχητικά*) είναι σημαντικά μικρότερο από αυτό των ηλεκτρονίων ή των φωτονίων.
Φωνών* - ένα οιονεί σωματίδιο, το οποίο είναι ένα κβάντο της δονητικής κίνησης των κρυσταλλικών ατόμων.
Επιπλέον, λόγω της μποσονικής φύσης των φωνονίων, είναι αδύνατος ο έλεγχος τους με τάση (όπως γίνεται με τους φορείς φορτίου), γεγονός που γενικά καθιστά δύσκολο τον έλεγχο της μεταφοράς θερμότητας στα στερεά.
Προηγουμένως, οι θερμικές ιδιότητες των στερεών, όπως μας θυμίζουν οι ερευνητές, ελέγχονταν μέσω νανοελαμινικών μεμβρανών και υπερδικτυωμάτων λόγω δομικής διαταραχής και διεπαφές υψηλής πυκνότητας ή μέσω νανοσυρμάτων πυριτίου και γερμανίου λόγω ισχυρής σκέδασης φωνονίων.
Σε ορισμένες από τις μεθόδους θερμομόνωσης που περιγράφονται παραπάνω, οι επιστήμονες είναι έτοιμοι να αποδώσουν δισδιάστατα υλικά, το πάχος των οποίων δεν υπερβαίνει πολλά άτομα, γεγονός που καθιστά εύκολο τον έλεγχο σε ατομική κλίμακα. Στη μελέτη τους χρησιμοποίησαν van der Waals (vdW) συναρμολόγηση ατομικά λεπτών στρωμάτων 2D για την επίτευξη πολύ υψηλής θερμικής αντίστασης σε όλη την ετεροδομή τους.
Δυνάμεις Van der Waals* — δυνάμεις διαμοριακής/διατομικής αλληλεπίδρασης με ενέργεια 10-20 kJ/mol.
Η νέα τεχνική κατέστησε δυνατή την απόκτηση θερμικής αντίστασης σε μια ετεροδομή vdW πάχους 2 nm συγκρίσιμη με εκείνη σε ένα στρώμα SiO2 (διοξείδιο του πυριτίου) πάχους 300 nm.
Επιπλέον, η χρήση ετεροδομών vdW κατέστησε δυνατό τον έλεγχο των θερμικών ιδιοτήτων σε ατομικό επίπεδο μέσω της στρώσης ετερογενών XNUMXD μονοστιβάδων με διαφορετικές πυκνότητες ατομικής μάζας και τρόπους δόνησης.
Λοιπόν, ας μην τραβήξουμε τα μουστάκια της γάτας και ας αρχίσουμε να εξετάζουμε τα αποτελέσματα αυτής της εκπληκτικής έρευνας.
Αποτελέσματα της μελέτης
Πρώτα απ 'όλα, ας εξοικειωθούμε με τα μικροδομικά και οπτικά χαρακτηριστικά των ετεροδομών vdW που χρησιμοποιούνται σε αυτή τη μελέτη.
Εικόνα #1
Στην εικόνα 1a δείχνει ένα διάγραμμα διατομής μιας ετεροδομής τεσσάρων στρωμάτων που αποτελείται από (από πάνω προς τα κάτω): γραφένιο (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 και ένα υπόστρωμα SiO2/Si. Για να σαρώσετε όλα τα επίπεδα ταυτόχρονα, χρησιμοποιήστε το Λέιζερ Raman* με μήκος κύματος 532 nm.
Λέιζερ Raman* - ένας τύπος λέιζερ στον οποίο ο κύριος μηχανισμός ενίσχυσης του φωτός είναι η σκέδαση Raman.
Ραμάν σκόρπισμα, με τη σειρά του, είναι η ανελαστική σκέδαση της οπτικής ακτινοβολίας στα μόρια μιας ουσίας, η οποία συνοδεύεται από σημαντική αλλαγή στη συχνότητα της ακτινοβολίας.
Χρησιμοποιήθηκαν διάφορες μέθοδοι για την επιβεβαίωση της μικροδομικής, θερμικής και ηλεκτρικής ομοιογένειας των ετεροδομών: ηλεκτρονική μικροσκοπία μετάδοσης σάρωσης (STEM), φασματοσκοπία φωτοφωταύγειας (PL), μικροσκοπία ανιχνευτή Kelvin (KPM), θερμική μικροσκοπία σάρωσης (SThM), καθώς και φασματοσκοπία Raman και θερμομετρία.
Изображение 1b μας δείχνει το φάσμα Raman μιας ετεροδομής Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 σε ένα υπόστρωμα SiO2/Si στη θέση που σημειώνεται με μια κόκκινη κουκκίδα. Αυτό το διάγραμμα δείχνει την υπογραφή κάθε μονοστοιβάδας στη συστοιχία στιβάδων, καθώς και την υπογραφή του υποστρώματος Si.
Επί 1c-1f Εμφανίζονται εικόνες STEM σκοτεινού πεδίου της ετεροδομής Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 (1s) και ετεροδομές Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) με διαφορετικούς προσανατολισμούς πλέγματος. Οι εικόνες STEM δείχνουν ατομικά στενά κενά vdW χωρίς καμία μόλυνση, επιτρέποντας στο συνολικό πάχος αυτών των ετεροδομών να είναι πλήρως ορατό. Η παρουσία σύζευξης ενδιάμεσης στιβάδας επιβεβαιώθηκε επίσης σε μεγάλες περιοχές σάρωσης χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία φωτοφωταύγειας (PL)1g). Το σήμα φωτοφωταύγειας μεμονωμένων στρωμάτων μέσα στην ετεροδομή καταστέλλεται σημαντικά σε σύγκριση με το σήμα μιας απομονωμένης μονοστιβάδας. Αυτό εξηγείται από τη διαδικασία μεταφοράς φορτίου μεταξύ στιβάδων λόγω στενής αλληλεπίδρασης μεταξύ των στρωμάτων, η οποία γίνεται ακόμα πιο ισχυρή μετά την ανόπτηση.
Εικόνα #2
Προκειμένου να μετρηθεί η ροή θερμότητας κάθετα στα ατομικά επίπεδα της ετεροδομής, η διάταξη των στρωμάτων δομήθηκε με τη μορφή ηλεκτρικών συσκευών τεσσάρων ανιχνευτών. Το ανώτερο στρώμα του γραφενίου έρχεται σε επαφή με ηλεκτρόδια παλλαδίου (Pd) και χρησιμοποιείται ως θερμαντήρας για μετρήσεις θερμομετρίας Raman.
Αυτή η μέθοδος ηλεκτρικής θέρμανσης παρέχει ακριβή ποσοτικοποίηση της ισχύος εισόδου. Μια άλλη πιθανή μέθοδος θέρμανσης, η οπτική, θα ήταν πιο δύσκολο να εφαρμοστεί λόγω άγνοιας των συντελεστών απορρόφησης μεμονωμένων στρωμάτων.
Επί 2a δείχνει ένα κύκλωμα μέτρησης τεσσάρων ανιχνευτών και 2b δείχνει μια κάτοψη της δομής που δοκιμάζεται. Πρόγραμμα 2s δείχνει μετρημένα χαρακτηριστικά μεταφοράς θερμότητας για τρεις συσκευές, μία που περιέχει μόνο γραφένιο και δύο που περιέχουν συστοιχίες στρώσεων Gr/WSe22 και Gr/MoSe2/WSe22. Όλες οι παραλλαγές επιδεικνύουν διπολική συμπεριφορά του γραφενίου, η οποία σχετίζεται με την απουσία κενού ζώνης.
Διαπιστώθηκε επίσης ότι η αγωγιμότητα του ρεύματος και η θέρμανση εμφανίζονται στο ανώτερο στρώμα (γραφένιο), καθώς η ηλεκτρική αγωγιμότητά του είναι αρκετές τάξεις μεγέθους υψηλότερη από αυτή των MoS2 και WSe22.
Για να αποδειχθεί η ομοιογένεια των ελεγχόμενων συσκευών, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις χρησιμοποιώντας μικροσκοπία ανιχνευτή Kelvin (KPM) και θερμική μικροσκοπία σάρωσης (SThM). Στο γράφημα 2d Οι μετρήσεις KPM εμφανίζονται αποκαλύπτοντας τη γραμμική κατανομή δυναμικού. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης SThM φαίνονται στο Δεκαετία 2. Εδώ βλέπουμε έναν χάρτη ηλεκτρικά θερμαινόμενων καναλιών Gr/MoS2/WSe22, καθώς και την παρουσία ομοιομορφίας στη θέρμανση επιφανειών.
Οι τεχνικές σάρωσης που περιγράφηκαν παραπάνω, ιδιαίτερα το SThM, επιβεβαίωσαν την ομοιογένεια της υπό μελέτη δομής, δηλαδή την ομοιογένειά της, όσον αφορά τις θερμοκρασίες. Το επόμενο βήμα ήταν να ποσοτικοποιηθεί η θερμοκρασία καθενός από τα συστατικά στρώματα χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία Raman (δηλαδή φασματοσκοπία Raman).
Δοκιμάστηκαν και οι τρεις συσκευές, η καθεμία με επιφάνεια ~40 μm2. Σε αυτήν την περίπτωση, η ισχύς του θερμαντήρα άλλαξε κατά 9 mW και η απορροφούμενη ισχύς λέιζερ ήταν κάτω από ~5 μW με μια περιοχή κηλίδας λέιζερ ~0.5 μm2.
Εικόνα #3
Στο γράφημα 3a μια αύξηση στη θερμοκρασία (ΔT) κάθε στρώσης και υποστρώματος είναι ορατή καθώς αυξάνεται η ισχύς του θερμαντήρα στην ετεροδομή Gr/MoS2/WSe22.
Οι κλίσεις της γραμμικής συνάρτησης για κάθε υλικό (στρώμα) υποδεικνύουν τη θερμική αντίσταση (Rth=∆T/P) μεταξύ του μεμονωμένου στρώματος και της ψύκτρας. Δεδομένης της ομοιόμορφης κατανομής της θέρμανσης στην περιοχή, οι θερμικές αντιστάσεις μπορούν εύκολα να αναλυθούν από το κάτω προς το επάνω στρώμα, κατά το οποίο οι τιμές τους κανονικοποιούνται από την περιοχή καναλιού (WL).
Τα L και W είναι το μήκος και το πλάτος του καναλιού, τα οποία είναι σημαντικά μεγαλύτερα από το πάχος του υποστρώματος SiO2 και το πλευρικό μήκος θερμικής θέρμανσης, που είναι ~0.1 μm.
Επομένως, μπορούμε να εξαγάγουμε τον τύπο για τη θερμική αντίσταση του υποστρώματος Si, ο οποίος θα μοιάζει με αυτό:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kΣι)
Σε αυτή την κατάσταση kSi ≈ 90 W m−1 K−1, που είναι η αναμενόμενη θερμική αγωγιμότητα ενός τόσο υψηλής πρόσμιξης υποστρώματος.
Η διαφορά μεταξύ Rth,WSe2 και Rth,Si είναι το άθροισμα της θερμικής αντίστασης SiO2 πάχους 100 nm και της θερμικής οριακής αντίστασης (TBR) της διεπαφής WSe2/SiO2.
Συνδυάζοντας όλες τις παραπάνω πτυχές, μπορούμε να διαπιστώσουμε ότι Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2 και Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Επομένως, από το γράφημα 3a είναι δυνατή η εξαγωγή της τιμής TBR για καθεμία από τις διεπαφές WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 και Gr/MoS2.
Στη συνέχεια, οι επιστήμονες συνέκριναν τη συνολική θερμική αντίσταση όλων των ετεροδομών, που μετρήθηκε χρησιμοποιώντας τη φασματοσκοπία Raman και τη θερμική μικροσκοπία (3b).
Οι ετεροδομές διπλής στιβάδας και τριών στρωμάτων σε SiO2 εμφάνισαν αποτελεσματική θερμική αντίσταση στην περιοχή από 220 έως 280 m2 K/GW σε θερμοκρασία δωματίου, η οποία είναι ισοδύναμη με τη θερμική αντίσταση του SiO2 με πάχος 290 έως 360 nm. Παρά το γεγονός ότι το πάχος των υπό μελέτη ετεροδομών δεν υπερβαίνει τα 2 nm (1d-1f), η θερμική τους αγωγιμότητα είναι 0.007-0.009 W m−1 K−1 σε θερμοκρασία δωματίου.
Εικόνα #4
Η εικόνα 4 δείχνει τις μετρήσεις και των τεσσάρων δομών και τη θερμική οριακή αγωγιμότητα (TBC) των διεπαφών τους, γεγονός που μας επιτρέπει να αξιολογήσουμε τον βαθμό επιρροής κάθε στρώματος στην προηγουμένως μετρημένη θερμική αντίσταση (TBC = 1 / TBR).
Οι ερευνητές σημειώνουν ότι αυτή είναι η πρώτη μέτρηση TBC για ατομικά στενές διεπαφές μεταξύ ξεχωριστών μονοστιβάδων (2D/2D), συγκεκριμένα μεταξύ μονοστοιβάδων WSe2 και SiO2.
Το TBC μιας διεπαφής μονοστρωματικού WSe2/SiO2 είναι χαμηλότερο από αυτό μιας διεπαφής πολλαπλών επιπέδων WSe2/SiO2, κάτι που δεν προκαλεί έκπληξη, δεδομένου ότι η μονοστρωματική διασύνδεση έχει σημαντικά λιγότερες λειτουργίες φωνονίων κάμψης διαθέσιμες για μετάδοση. Με απλά λόγια, το TBC της διεπαφής μεταξύ των στρωμάτων 2D είναι χαμηλότερο από το TBC της διεπαφής μεταξύ του στρώματος 2D και του υποστρώματος 3D SiO2 (4b).
Για μια πιο λεπτομερή εξοικείωση με τις αποχρώσεις της μελέτης, συνιστώ να κοιτάξετε и σε αυτόν.
Επίλογος
Η έρευνα αυτή, όπως υποστηρίζουν οι ίδιοι οι επιστήμονες, μας δίνει γνώσεις που μπορούν να εφαρμοστούν στην υλοποίηση ατομικών θερμικών διεπαφών. Αυτή η εργασία έδειξε τη δυνατότητα δημιουργίας θερμομονωτικών μεταϋλικών των οποίων οι ιδιότητες δεν βρίσκονται στη φύση. Επιπλέον, η μελέτη επιβεβαίωσε επίσης τη δυνατότητα πραγματοποίησης ακριβών μετρήσεων θερμοκρασίας τέτοιων δομών, παρά την ατομική κλίμακα των στρωμάτων.
Οι ετεροδομές που περιγράφονται παραπάνω μπορούν να αποτελέσουν τη βάση για εξαιρετικά ελαφριές και συμπαγείς θερμικές «ασπίδες», ικανές, για παράδειγμα, να απομακρύνουν τη θερμότητα από καυτά σημεία στα ηλεκτρονικά. Επιπλέον, αυτή η τεχνολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε θερμοηλεκτρικές γεννήτριες ή θερμικά ελεγχόμενες συσκευές, αυξάνοντας την απόδοσή τους.
Αυτή η μελέτη επιβεβαιώνει για άλλη μια φορά ότι η σύγχρονη επιστήμη ενδιαφέρεται σοβαρά για την αρχή της «αποτελεσματικότητας σε μια δακτυλήθρα», η οποία δεν μπορεί να ονομαστεί ανόητη ιδέα, δεδομένων των περιορισμένων πόρων του πλανήτη και της συνεχούς αύξησης της ζήτησης για κάθε είδους τεχνολογικές καινοτομίες.
Ευχαριστώ για την ανάγνωση, μείνετε περίεργοι και καλή εβδομάδα παιδιά! 🙂
Σας ευχαριστούμε που μείνατε μαζί μας. Σας αρέσουν τα άρθρα μας; Θέλετε να δείτε πιο ενδιαφέρον περιεχόμενο; Υποστηρίξτε μας κάνοντας μια παραγγελία ή προτείνοντας σε φίλους, Έκπτωση 30% για χρήστες Habr σε ένα μοναδικό ανάλογο διακομιστών εισαγωγικού επιπέδου, που εφευρέθηκε από εμάς για εσάς: (διατίθεται με RAID1 και RAID10, έως 24 πυρήνες και έως 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 φορές φθηνότερο; Μόνο εδώ στην Ολλανδία! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - από 99$! Διαβάστε σχετικά
Πηγή: www.habr.com