Muchos jugadores de todo el mundo que vivieron la era Xbox 360 están muy familiarizados con la situación en la que su consola se convertía en una sartén en la que podían freír huevos. Una situación similar y triste ocurre no sólo con las consolas de juegos, sino también con los teléfonos, portátiles, tabletas y mucho más. En principio, casi cualquier dispositivo electrónico puede sufrir un choque térmico, lo que puede provocar no sólo su fallo y el malestar de su propietario, sino también un "mal boom" de la batería y lesiones graves. Hoy conoceremos un estudio en el que científicos de la Universidad de Stanford, como Nick Fury de los cómics, crearon un escudo que protege las piezas electrónicas sensibles al calor del sobrecalentamiento y, como resultado, previene su avería. ¿Cómo lograron los científicos crear un escudo térmico, cuáles son sus componentes principales y qué tan efectivo es? Aprendemos sobre esto y más a través del informe del grupo de investigación. Ir.
Base de investigación
El problema del sobrecalentamiento se conoce desde hace mucho tiempo y los científicos lo resuelven de diversas formas. Algunas de las más populares son el uso de vidrio, plástico e incluso capas de aire, que sirven como una especie de aislantes de la radiación térmica. En la realidad moderna, este método se puede mejorar reduciendo el espesor de la capa protectora a varios átomos sin perder sus propiedades de aislamiento térmico. Eso es exactamente lo que hicieron los investigadores.
Por supuesto, estamos hablando de nanomateriales. Sin embargo, su uso en aislamiento térmico se complicaba anteriormente por el hecho de que la longitud de onda de los refrigerantes (fonones*) es significativamente más corto que el de los electrones o fotones.
Fonón* - una cuasipartícula, que es un cuanto del movimiento vibratorio de los átomos cristalinos.
Además, debido a la naturaleza bosónica de los fonones, es imposible controlarlos mediante voltaje (como se hace con los portadores de carga), lo que generalmente dificulta el control de la transferencia de calor en los sólidos.
Anteriormente, las propiedades térmicas de los sólidos, como nos recuerdan los investigadores, se controlaban mediante películas nanolaminadas y superredes debido al desorden estructural y las interfaces de alta densidad, o mediante nanocables de silicio y germanio debido a la fuerte dispersión de fonones.
A varios de los métodos de aislamiento térmico descritos anteriormente, los científicos están seguros de atribuir materiales bidimensionales cuyo espesor no exceda de varios átomos, lo que los hace fáciles de controlar a escala atómica. En su estudio utilizaron Van der Waals (vdW) ensamblaje de capas 2D atómicamente delgadas para lograr una resistencia térmica muy alta en toda su heteroestructura.
Las fuerzas de van der Waals* — fuerzas de interacción intermoleculares/interatómicas con una energía de 10-20 kJ/mol.
La nueva técnica permitió obtener una resistencia térmica en una heteroestructura vdW de 2 nm de espesor comparable a la de una capa de SiO2 (dióxido de silicio) de 300 nm de espesor.
Además, el uso de heteroestructuras vdW ha permitido controlar las propiedades térmicas a nivel atómico mediante la estratificación de monocapas XNUMXD heterogéneas con diferentes densidades de masa atómica y modos de vibración.
Entonces, no le jalemos los bigotes al gato y comencemos a considerar los resultados de esta asombrosa investigación.
Resultados de la investigación
En primer lugar, familiaricémonos con las características microestructurales y ópticas de las heteroestructuras vdW utilizadas en este estudio.
Imagen #1
en la imagen 1a muestra un diagrama de sección transversal de una heteroestructura de cuatro capas que consta de (de arriba a abajo): grafeno (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 y un sustrato SiO2/Si. Para escanear todas las capas simultáneamente, utilice Láser raman* con una longitud de onda de 532 nm.
Láser raman* - un tipo de láser en el que el principal mecanismo de amplificación de la luz es la dispersión Raman.
dispersión raman, a su vez, es la dispersión inelástica de la radiación óptica sobre las moléculas de una sustancia, que va acompañada de un cambio significativo en la frecuencia de la radiación.
Se utilizaron varios métodos para confirmar la homogeneidad microestructural, térmica y eléctrica de las heteroestructuras: microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM), espectroscopia de fotoluminiscencia (PL), microscopía de sonda Kelvin (KPM), microscopía térmica de barrido (SThM), así como espectroscopia Raman y termometría.
imagen 1b nos muestra el espectro Raman de una heteroestructura Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 sobre un sustrato SiO2/Si en la ubicación marcada con un punto rojo. Este gráfico muestra la firma de cada monocapa en la matriz de capas, así como la firma del sustrato de Si.
En 1c-1f Se muestran imágenes STEM de campo oscuro de la heteroestructura Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 (1с) y heteroestructuras Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) con diferentes orientaciones de red. Las imágenes STEM muestran espacios vdW atómicamente cercanos sin ninguna contaminación, lo que permite que el espesor general de estas heteroestructuras sea completamente visible. La presencia de acoplamiento entre capas también se confirmó en grandes áreas de escaneo mediante espectroscopía de fotoluminiscencia (PL) (1g). La señal fotoluminiscente de las capas individuales dentro de la heteroestructura se suprime significativamente en comparación con la señal de una monocapa aislada. Esto se explica por el proceso de transferencia de carga entre capas debido a la estrecha interacción entre capas, que se vuelve aún más fuerte después del recocido.
Imagen #2
Para medir el flujo de calor perpendicular a los planos atómicos de la heteroestructura, el conjunto de capas se estructuró en forma de dispositivos eléctricos de cuatro sondas. La capa superior de grafeno entra en contacto con electrodos de paladio (Pd) y se utiliza como calentador para mediciones de termometría Raman.
Este método de calentamiento eléctrico proporciona una cuantificación precisa de la potencia de entrada. Otro posible método de calentamiento, el óptico, sería más difícil de implementar debido al desconocimiento de los coeficientes de absorción de las capas individuales.
En 2a muestra un circuito de medición de cuatro sondas, y 2b muestra una vista superior de la estructura que se está probando. Cronograma 2с muestra las características de transferencia de calor medidas para tres dispositivos, uno que contiene solo grafeno y dos que contienen matrices de capas Gr/WSe22 y Gr/MoSe2/WSe22. Todas las variantes demuestran un comportamiento ambipolar del grafeno, que se asocia con la ausencia de una banda prohibida.
También se encontró que la conducción de corriente y el calentamiento ocurren en la capa superior (grafeno), ya que su conductividad eléctrica es varios órdenes de magnitud mayor que la del MoS2 y el WSe22.
Para demostrar la homogeneidad de los dispositivos probados, se tomaron medidas mediante microscopía de sonda Kelvin (KPM) y microscopía térmica de barrido (SThM). en el gráfico 2d Las mediciones de KPM se muestran y revelan la distribución de potencial lineal. Los resultados del análisis SThM se muestran en 2e. Aquí vemos un mapa de canales Gr/MoS2/WSe22 calentados eléctricamente, así como la presencia de uniformidad en el calentamiento de superficies.
Las técnicas de escaneo descritas anteriormente, en particular SThM, confirmaron la homogeneidad de la estructura en estudio, es decir, su homogeneidad, en términos de temperaturas. El siguiente paso fue cuantificar la temperatura de cada una de las capas constituyentes mediante espectroscopia Raman (es decir, espectroscopia Raman).
Se probaron los tres dispositivos, cada uno con un área de ~40 µm2. En este caso, la potencia del calentador cambió en 9 mW y la potencia del láser absorbida fue inferior a ~5 μW con un área de punto láser de ~0.5 μm2.
Imagen #3
en el gráfico 3a Se ve un aumento en la temperatura (∆T) de cada capa y sustrato a medida que aumenta la potencia del calentador en la heteroestructura Gr / MoS2 / WSe22.
Las pendientes de la función lineal para cada material (capa) indican la resistencia térmica (Rth=∆T/P) entre la capa individual y el disipador de calor. Dada la distribución uniforme del calentamiento en el área, las resistencias térmicas se pueden analizar fácilmente desde la capa inferior hasta la superior, durante la cual sus valores se normalizan por el área del canal (WL).
L y W son la longitud y el ancho del canal, que son significativamente mayores que el espesor del sustrato de SiO2 y la longitud de calentamiento térmico lateral, que es ~0.1 μm.
Por lo tanto, podemos derivar la fórmula para la resistencia térmica del sustrato de Si, que se verá así:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
En esta situación kSi ≈ 90 W m−1 K−1, que es la conductividad térmica esperada de un sustrato tan altamente dopado.
La diferencia entre Rth,WSe2 y Rth,Si es la suma de la resistencia térmica de SiO2 de 100 nm de espesor y la resistencia límite térmica (TBR) de la interfaz WSe2/SiO2.
Juntando todos los aspectos anteriores, podemos establecer que Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, y Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Por lo tanto, del gráfico 3a es posible extraer el valor de TBR para cada una de las interfaces WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 y Gr/MoS2.
A continuación, los científicos compararon la resistencia térmica total de todas las heteroestructuras, medida mediante espectroscopía Raman y microscopía térmica (3b).
Las heteroestructuras bicapa y tricapa sobre SiO2 exhibieron una resistencia térmica efectiva en el rango de 220 a 280 m2 K/GW a temperatura ambiente, lo que equivale a la resistencia térmica del SiO2 con un espesor de 290 a 360 nm. A pesar de que el espesor de las heteroestructuras en estudio no supera los 2 nm (1d-1f), su conductividad térmica es 0.007-0.009 W m−1 K−1 a temperatura ambiente.
Imagen #4
La Imagen 4 muestra las mediciones de las cuatro estructuras y la conductividad térmica del límite (TBC) de sus interfaces, lo que nos permite evaluar el grado de influencia de cada capa en la resistencia térmica medida previamente (TBC = 1 / TBR).
Los investigadores señalan que esta es la primera medición de TBC para interfaces atómicamente cercanas entre monocapas separadas (2D/2D), específicamente entre monocapas de WSe2 y SiO2.
El TBC de una interfaz WSe2/SiO2 monocapa es menor que el de una interfaz WSe2/SiO2 multicapa, lo cual no es sorprendente ya que la monocapa tiene significativamente menos modos de fonones de flexión disponibles para la transmisión. En pocas palabras, el TBC de la interfaz entre capas 2D es menor que el TBC de la interfaz entre la capa 2D y el sustrato de SiO3 2D (4b).
Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, recomiendo mirar и a él.
El acto final
Esta investigación, como afirman los propios científicos, nos aporta conocimientos que pueden aplicarse en la implementación de interfaces térmicas atómicas. Este trabajo mostró la posibilidad de crear metamateriales termoaislantes cuyas propiedades no se encuentran en la naturaleza. Además, el estudio también confirmó la posibilidad de realizar mediciones precisas de la temperatura de tales estructuras, a pesar de la escala atómica de las capas.
Las heteroestructuras descritas anteriormente pueden convertirse en la base de "escudos" térmicos ultraligeros y compactos, capaces, por ejemplo, de eliminar el calor de los puntos calientes en la electrónica. Además, esta tecnología se puede utilizar en generadores termoeléctricos o dispositivos controlados térmicamente, aumentando su rendimiento.
Este estudio confirma una vez más que la ciencia moderna está seriamente interesada en el principio de "eficiencia en un dedal", que no puede considerarse una idea estúpida, dados los recursos limitados del planeta y el continuo crecimiento de la demanda de todo tipo de innovaciones tecnológicas.
¡Gracias por su atención, manténganse curiosos y que tengan una excelente semana para todos! 🙂
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Fuente: habr.com