Multaj ludantoj tra la mondo, kiuj spertis la Xbox 360-epokon, tre konas la situacion, kiam ilia konzolo fariĝis pato, sur kiu ili povis friti ovojn. Simila malĝoja situacio okazas ne nur kun ludkonzoloj, sed ankaŭ kun telefonoj, tekkomputiloj, tabeloj kaj multe pli. Principe, preskaŭ ajna elektronika aparato povas sperti termikan ŝokon, kio povas konduki ne nur al sia malsukceso kaj ĉagreno de sia posedanto, sed ankaŭ al la "malbona eksplodo" de la kuirilaro kaj grava vundo. Hodiaŭ ni konatiĝos kun studo, en kiu sciencistoj de la Universitato de Stanford, kiel Nick Fury de la bildstrioj, kreis ŝildon, kiu protektas varmo-sentemajn elektronikajn partojn kontraŭ trovarmiĝo kaj, kiel rezulto, malhelpas ilian rompon. Kiel sciencistoj sukcesis krei termikan ŝildon, kiuj estas ĝiaj ĉefaj komponantoj kaj kiom efika ĝi estas? Pri tio kaj pli ni lernas el la raporto de la esplorgrupo. Iru.
Esplorbazo
La problemo de trovarmiĝo estas konata de tre longa tempo, kaj sciencistoj solvas ĝin en diversaj manieroj. Iuj el la plej popularaj estas la uzo de vitro, plasto kaj eĉ tavoloj de aero, kiuj funkcias kiel speco de izoliloj de termika radiado. En modernaj realaĵoj, ĉi tiu metodo povas esti plibonigita reduktante la dikecon de la protekta tavolo al pluraj atomoj sen perdi ĝiajn termizolajn ecojn. Ĝuste tion faris la esploristoj.
Ni, kompreneble, parolas pri nanomaterialoj. Tamen, ilia uzo en termika izolado estis antaŭe komplikita pro la fakto, ke la ondolongo de fridigaĵoj (fononoj*) estas signife pli mallonga ol tiu de elektronoj aŭ fotonoj.
Fonono* - kvazaŭpartiklo, kiu estas kvantumo de la vibra moviĝo de kristalaj atomoj.
Krome, pro la bosona naturo de fononoj, estas maleble kontroli ilin per tensio (kiel estas farita kun ŝargoportantoj), kio ĝenerale malfaciligas kontroli varmotransigo en solidoj.
Antaŭe, la termikaj propraĵoj de solidoj, kiel esploristoj memorigas nin, estis kontrolitaj per nanolaminataj filmoj kaj superretoj pro struktura malordo kaj alta denseca interfacoj, aŭ per silicio kaj germanio nanodratoj pro forta fonondisvastigo.
Al kelkaj el la termizolaj metodoj priskribitaj supre, sciencistoj estas memfide pretaj atribui dudimensiajn materialojn, kies dikeco ne superas plurajn atomojn, kio faciligas ilin kontroli sur atomskalo. En sia studo ili uzis kamioneto der Waals (vdW) kunigo de atome maldikaj 2D tavoloj por atingi tre altan termikan reziston ĉie en sia heterostrukturo.
Van der Waals-fortoj* — intermolekulaj/interatomaj interagaj fortoj kun energio de 10-20 kJ/mol.
La nova tekniko ebligis akiri termikan reziston en 2 nm dika vdW heterostrukturo komparebla al tiu en 2 nm dika SiO300 (silicia dioksido) tavolo.
Krome, la uzo de vdW-heterostrukturoj ebligis akiri kontrolon de termikaj trajtoj sur la atomnivelo per la tavoligado de heterogenaj XNUMXD monotavoloj kun malsamaj atommasaj densecoj kaj vibraj reĝimoj.
Do, ni ne tiru la barbon de la kato kaj ni komencu konsideri la rezultojn de ĉi tiu mirinda esplorado.
Esplorrezultoj
Antaŭ ĉio, ni konatiĝu kun la mikrostrukturaj kaj optikaj trajtoj de la vdW-heterostrukturoj uzataj en ĉi tiu studo.
Bildo #1
Sur la bildo 1a montras trans-sekcan diagramon de kvartavola heterostrukturo konsistanta el (de supre ĝis malsupre): grafeno (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 kaj SiO2/Si-substrato. Por skani ĉiujn tavolojn samtempe, uzu Raman lasero* kun ondolongo de 532 nm.
Raman lasero* - speco de lasero en kiu la ĉefa mekanismo de lumplifortigo estas Raman-disvastigo.
Raman disvastiĝo, siavice, estas la malelasta disvastigo de optika radiado sur la molekuloj de substanco, kiu estas akompanata de signifa ŝanĝo en la frekvenco de la radiado.
Pluraj metodoj estis uzitaj por konfirmi la mikrostrukturan, termikan kaj elektran homogenecon de heterostrukturoj: skananta dissenda elektrona mikroskopio (STEM), fotolumineska spektroskopio (PL), Kelvin-enketmikroskopio (KPM), skananta termika mikroskopio (SThM), same kiel Raman-spektroskopio kaj termometrio.
Bildo Bildo 1b montras al ni la Raman-spektron de Gr/MoSe2/MoS2/WSe22-heterostrukturo sur SiO2/Si-substrato ĉe la loko markita per ruĝa punkto. Ĉi tiu intrigo montras la subskribon de ĉiu monotavolo en la tavola aro, same kiel la subskribon de la Si-substrato.
En 1c-1f malhelkampaj STEM-bildoj de la heterostrukturo Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 estas montritaj (1c) kaj Gr/MoS2/WSe22 heterostrukturoj (1d-1f) kun malsamaj kradaj orientiĝoj. STEM-bildoj montras atome proksimajn vdW-interspacojn sen ajna poluado, permesante al la totala dikeco de tiuj heterostrukturoj esti plene videbla. La ĉeesto de intertavola kuplado ankaŭ estis konfirmita super grandaj skanadaj areoj uzante fotolumineskan (PL) spektroskopion (1g). La fotolumineska signalo de individuaj tavoloj ene de la heterostrukturo estas signife subpremita kompare kun la signalo de izolita monotavolo. Ĉi tio estas klarigita per la procezo de intertavola ŝargotranslokigo pro proksima intertavola interago, kiu iĝas eĉ pli forta post kalciado.
Bildo #2
Por mezuri la varmofluon perpendikulara al la atomaj ebenoj de la heterostrukturo, la aro de tavoloj estis strukturita en la formo de kvar-sondaj elektraj aparatoj. La supra tavolo de grafeno kontaktas paladiajn (Pd) elektrodojn kaj estas uzata kiel hejtilo por Raman-termometriaj mezuradoj.
Ĉi tiu elektra hejta metodo disponigas precizan kvantigon de eniga potenco. Alia ebla hejtmetodo, optika, estus pli malfacile efektivigebla pro nescio pri la sorbaj koeficientoj de individuaj tavoloj.
En 2a montras kvar-sondan mezurcirkviton, kaj 2b montras supran vidon de la testata strukturo. Horaro 2c montras mezuritajn varmotransigajn karakterizaĵojn por tri aparatoj, unu enhavante nur grafenon kaj du enhavantaj Gr/WSe22 kaj Gr/MoSe2/WSe22-tavolajn tavolojn. Ĉiuj variaĵoj montras ambipolusan konduton de grafeno, kiu estas rilata al la foresto de bendinterspaco.
Estis ankaŭ trovite ke nuna kondukado kaj hejtado okazas en la supra tavolo (grafeno), ĉar ĝia elektra kondukteco estas pluraj grandordoj pli alta ol tiu de MoS2 kaj WSe22.
Por pruvi la homogenecon de la testitaj aparatoj, mezuradoj estis faritaj per Kelvin-enketmikroskopio (KPM) kaj skananta termika mikroskopio (SThM). Sur la diagramo 2d KPM-mezuradoj estas elmontritaj rivelante la linearan eblan distribuon. La rezultoj de la analizo SThM estas montritaj en 2-aj jaroj. Ĉi tie ni vidas mapon de elektre varmigitaj Gr/MoS2/WSe22-kanaloj, same kiel la ĉeeston de unuformeco en surfaca hejtado.
La skanaj teknikoj priskribitaj supre, precipe SThM, konfirmis la homogenecon de la studata strukturo, tio estas, ĝian homogenecon, laŭ temperaturoj. La venonta paŝo estis kvantigi la temperaturon de ĉiu el la konsistigaj tavoloj uzante Raman-spektroskopion (t.e., Raman-spektroskopion).
Ĉiuj tri aparatoj estis provitaj, ĉiu kun areo de ~40 µm2. En ĉi tiu kazo, la hejtila potenco ŝanĝiĝis je 9 mW, kaj la sorbita lasera potenco estis sub ~5 μW kun lasera punkto areo de ~0.5 μm2.
Bildo #3
Sur la diagramo 3a pliiĝo en temperaturo (∆T) de ĉiu tavolo kaj substrato estas videbla kiam la hejtilpotenco en la Gr/MoS2/WSe22 heterostrukturo pliiĝas.
La deklivoj de la linia funkcio por ĉiu materialo (tavolo) indikas la termikan reziston (Rth=∆T/P) inter la individua tavolo kaj la varmolavujo. Konsiderante la unuforman distribuon de hejtado super la areo, termikaj rezistoj povas esti facile analizitaj de la malsupra ĝis la supra tavolo, dum kiuj iliaj valoroj estas normaligitaj de la kanala areo (WL).
L kaj W estas la kanallongo kaj larĝo, kiuj estas signife pli grandaj ol la dikeco de la SiO2-substrato kaj la flanka termika hejta longo, kiu estas ~0.1 μm.
Tial, ni povas derivi la formulon por la termika rezisto de la Si-substrato, kiu aspektos jene:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
En ĉi tiu situacio kSi ≈ 90 W m−1 K−1, kiu estas la atendata varmokondukteco de tia tre dopita substrato.
La diferenco inter Rth,WSe2 kaj Rth,Si estas la sumo de la termika rezisto de 2 nm dika SiO100 kaj la termika limrezisto (TBR) de la WSe2/SiO2-interfaco.
Kunigante ĉiujn ĉi-suprajn aspektojn, ni povas establi ke Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, kaj Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Tial, de la grafikaĵo 3a eblas ĉerpi la TBR-valoron por ĉiu el la interfacoj WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 kaj Gr/MoS2.
Poste, la sciencistoj komparis la totalan termikan reziston de ĉiuj heterostrukturoj, mezurita per Raman-spektroskopio kaj termika mikroskopio (3b).
Dutavolaj kaj tritavolaj heterostrukturoj sur SiO2 elmontris efikan termikan reziston en la gamo de 220 ĝis 280 m2 K/GW ĉe ĉambra temperaturo, kio estas ekvivalenta al la termika rezisto de SiO2 kun dikeco de 290 ĝis 360 nm. Malgraŭ tio, ke la dikeco de la studataj heterostrukturoj ne superas 2 nm (1d-1f), ilia varmokondukteco estas 0.007-0.009 W m−1 K−1 ĉe ĉambra temperaturo.
Bildo #4
Bildo 4 montras la mezuradojn de ĉiuj kvar strukturoj kaj la termika limkondukteco (TBC) de iliaj interfacoj, kio permesas al ni taksi la gradon de influo de ĉiu tavolo sur la antaŭe mezurita termika rezisto (TBC = 1 / TBR).
La esploristoj rimarkas, ke ĉi tio estas la plej unua TBC-mezurado por atome proksimaj interfacoj inter apartaj monotavoloj (2D/2D), specife inter WSe2 kaj SiO2 monotavoloj.
La TBC de unutavola WSe2/SiO2-interfaco estas pli malalta ol tiu de plurtavola WSe2/SiO2-interfaco, kio ne estas surpriza ĉar la monotavolo havas signife pli malmultajn fleksajn fononreĝimojn haveblajn por dissendo. Simple dirite, la TBC de la interfaco inter 2D tavoloj estas pli malalta ol la TBC de la interfaco inter la 2D tavolo kaj la 3D SiO2-substrato (4b).
Por pli detala konatiĝo kun la nuancoj de la studo, mi rekomendas rigardi и al li.
Epilogo
Ĉi tiu esplorado, kiel la sciencistoj mem asertas, donas al ni scion kiu povas esti aplikata en la efektivigo de atomaj termikaj interfacoj. Tiu ĉi laboro montris la eblecon krei varmoizolaj metamaterialoj, kies propraĵoj ne troviĝas en la naturo. Krome, la studo ankaŭ konfirmis la eblecon efektivigi precizajn temperaturmezuradon de tiaj strukturoj, malgraŭ la atomskalo de la tavoloj.
La heterostrukturoj priskribitaj supre povas fariĝi la bazo por ultra-malpezaj kaj kompaktaj termikaj "ŝildoj", kapablaj, ekzemple, forigi varmecon de varmaj punktoj en elektroniko. Krome, ĉi tiu teknologio povas esti uzata en termoelektraj generatoroj aŭ termikaj aparatoj, pliigante ilian rendimenton.
Ĉi tiu studo denove konfirmas, ke la moderna scienco serioze interesiĝas pri la principo de "efikeco en fingringo", kiun oni ne povas nomi stulta ideo, konsiderante la limigitajn rimedojn de la planedo kaj la daŭra kresko de postulo por ĉiaj teknologiaj novigoj.
Dankon pro legado, restu scivolemaj kaj havu bonegan semajnon uloj! 🙂
Dankon pro restado ĉe ni. Ĉu vi ŝatas niajn artikolojn? Ĉu vi volas vidi pli interesan enhavon? Subtenu nin farante mendon aŭ rekomendante al amikoj, 30% rabato por uzantoj de Habr sur unika analogo de enirnivelaj serviloj, kiu estis inventita de ni por vi: (havebla kun RAID1 kaj RAID10, ĝis 24 kernoj kaj ĝis 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 fojojn pli malmultekosta? Nur ĉi tie en Nederlando! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - ekde $99! Legu pri
fonto: www.habr.com