Paljud Xbox 360 ajastut kogenud mängijad üle maailma on väga tuttavad olukorraga, kui nende konsool muutus panniks, millel sai mune praadida. Sarnane kurb olukord ei teki mitte ainult mängukonsoolide, vaid ka telefonide, sülearvutite, tahvelarvutite ja palju muuga. Põhimõtteliselt võib peaaegu iga elektroonikaseade kogeda termilist šokki, mis võib põhjustada mitte ainult selle rikke ja omaniku ärrituse, vaid ka aku "halva buumi" ja tõsise vigastuse. Täna tutvume uuringuga, mille käigus Stanfordi ülikooli teadlased, nagu koomiksitest Nick Fury, on loonud kilbi, mis kaitseb kuumustundlikke elektroonikaosi ülekuumenemise eest ja hoiab seeläbi ära nende lagunemise. Kuidas õnnestus teadlastel termokilp luua, millised on selle põhikomponendid ja kui tõhus see on? Selle ja muu kohta saame teada uurimisrühma aruandest. Mine.
Uurimistöö alus
Ülekuumenemise probleem on tuntud väga pikka aega ja teadlased lahendavad seda mitmel viisil. Mõned kõige populaarsemad on klaasi, plasti ja isegi õhukihtide kasutamine, mis toimivad omamoodi soojuskiirguse isolaatoritena. Kaasaegses tegelikkuses saab seda meetodit täiustada, vähendades kaitsekihi paksust mitme aatomini, ilma et see kaotaks oma soojusisolatsiooniomadusi. Just seda teadlased tegid.
Loomulikult räägime nanomaterjalidest. Kuid nende kasutamist soojusisolatsioonis raskendas varem asjaolu, et jahutusvedelike lainepikkus (fononid*) on oluliselt lühem kui elektronidel või footonitel.
Phonon* - kvaasiosake, mis on kristalli aatomite vibratsioonilise liikumise kvant.
Lisaks on fonoonide bosonilise olemuse tõttu võimatu neid pingega juhtida (nagu seda tehakse laengukandjate puhul), mis üldiselt raskendab soojusülekande kontrollimist tahketes ainetes.
Varem kontrolliti tahkete ainete termilisi omadusi, nagu teadlased meile meelde tuletavad, struktuurihäirete ja suure tihedusega liideste tõttu nanolaminaatkilede ja supervõrede kaudu või tugeva fononi hajumise tõttu räni ja germaaniumi nanojuhtmete kaudu.
Paljudele ülalkirjeldatud soojusisolatsioonimeetoditele on teadlased enesekindlalt valmis omistama kahemõõtmelisi materjale, mille paksus ei ületa mitut aatomit, mistõttu on neid lihtne aatomiskaalal juhtida. Oma uuringus kasutasid nad van der Waals (vdW) aatomiliselt õhukeste 2D kihtide kokkupanek, et saavutada nende heterostruktuuris väga kõrge soojustakistus.
Van der Waalsi väed* — molekulidevahelised/aatomitevahelised vastasmõjud energiaga 10–20 kJ/mol.
Uus tehnika võimaldas saada 2 nm paksuses vdW heterostruktuuris soojustakistust, mis on võrreldav 2 nm paksuse SiO300 (ränidioksiidi) kihiga.
Lisaks on vdW heterostruktuuride kasutamine võimaldanud saavutada kontrolli termiliste omaduste üle aatomitasandil läbi erineva aatommassi tiheduse ja vibratsioonirežiimidega heterogeensete XNUMXD monokihtide kihistamise.
Niisiis, ärgem tõmmakem kassi vurrud ja asugem kaaluma selle hämmastava uurimistöö tulemusi.
Uuringute tulemused
Kõigepealt tutvume selles uuringus kasutatud vdW heterostruktuuride mikrostruktuuriliste ja optiliste omadustega.
Pilt nr 1
Pildi peal 1а näitab neljakihilise heterostruktuuri ristlõike diagrammi, mis koosneb (ülevalt alla): grafeen (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 ja SiO2/Si substraadist. Kõigi kihtide üheaegseks skannimiseks kasutage Ramani laser* lainepikkusega 532 nm.
Ramani laser* - laseri tüüp, mille valguse võimendamise peamiseks mehhanismiks on Ramani hajumine.
Ramani hajumine, on omakorda optilise kiirguse mitteelastne hajumine aine molekulidele, millega kaasneb oluline muutus kiirguse sageduses.
Heterostruktuuride mikrostruktuurilise, termilise ja elektrilise homogeensuse kinnitamiseks kasutati mitmeid meetodeid: skaneeriv transmissioonelektronmikroskoopia (STEM), fotoluminestsentsspektroskoopia (PL), Kelvini sondimikroskoopia (KPM), skaneeriv termomikroskoopia (SThM), samuti Ramani spektroskoopia ja termomeetria.
Изображение 1b näitab meile Gr / MoSe2 / MoS2 / WSe22 heterostruktuuri Ramani spektrit SiO2 / Si substraadil punase punktiga tähistatud kohas. See graafik näitab kihi massiivi iga monokihi allkirja, samuti Si substraadi signatuuri.
Edasi 1c-1f Näidatud on Gr / MoSe2 / MoS2 / WSe22 heterostruktuuri tumeda välja STEM kujutised (1c) ja Gr/MoS2/WSe22 heterostruktuurid (1d-1f) erineva võre orientatsiooniga. STEM-pildid näitavad aatomiliselt lähedasi vdW-lünki ilma saastumiseta, võimaldades nende heterostruktuuride üldist paksust täielikult näha. Kihtidevahelise sidestuse olemasolu kinnitati ka suurtel skaneerimisaladel, kasutades fotoluminestsents- (PL) spektroskoopiat (1g). Heterostruktuuri sees olevate üksikute kihtide fotoluminestsentssignaal on isoleeritud monokihi signaaliga võrreldes oluliselt alla surutud. Seda seletatakse tihedast kihtidevahelisest interaktsioonist tingitud kihtidevahelise laengu ülekande protsessiga, mis muutub pärast lõõmutamist veelgi tugevamaks.
Pilt nr 2
Et mõõta soojusvoogu risti heterostruktuuri aatomitasanditega, struktureeriti kihtide massiiv nelja sondiga elektriseadmete kujul. Grafeeni pealmine kiht puutub kokku pallaadium (Pd) elektroodidega ja seda kasutatakse Ramani termomeetria mõõtmise soojendusena.
See elektriküttemeetod annab sisendvõimsuse täpse kvantifitseerimise. Teist võimalikku kuumutusmeetodit, optilist, oleks üksikute kihtide neeldumistegurite teadmatuse tõttu keerulisem rakendada.
Edasi 2а näitab nelja sondiga mõõteahelat ja 2b näitab katsetatava konstruktsiooni pealtvaadet. Ajakava 2c näitab kolme seadme mõõdetud soojusülekande omadusi, millest üks sisaldab ainult grafeeni ja kaks sisaldab Gr / WSe22 ja Gr / MoSe2 / WSe22 kihi massiive. Kõik variandid näitavad grafeeni ambipolaarset käitumist, mis on seotud ribalaiuse puudumisega.
Samuti leiti, et voolujuhtivus ja kuumenemine toimuvad ülemises kihis (grafeen), kuna selle elektrijuhtivus on mitu suurusjärku kõrgem kui MoS2 ja WSe22 oma.
Katsetatud seadmete homogeensuse demonstreerimiseks tehti mõõtmised Kelvini sondimikroskoopia (KPM) ja skaneeriva termomikroskoopia (SThM) abil. Diagrammil 2d Kuvatakse KPM mõõtmised, mis näitavad lineaarset potentsiaalijaotust. SThM analüüsi tulemused on näidatud 2. Siin näeme elektriküttega Gr / MoS2 / WSe22 kanalite kaarti, samuti pinna kuumutamise ühtluse olemasolu.
Eespool kirjeldatud skaneerimismeetodid, eriti SThM, kinnitasid uuritava struktuuri homogeensust, st selle homogeensust temperatuuride osas. Järgmine samm oli iga koostisosa kihi temperatuuri kvantifitseerimine, kasutades Ramani spektroskoopiat (st Ramani spektroskoopiat).
Testiti kõiki kolme seadet, millest igaühe pindala oli ~ 40 µm2. Sel juhul muutus küttekeha võimsus 9 mW ja neeldunud laseri võimsus oli alla ~ 5 μW laserpunkti pindalaga ~ 0.5, 2 μmXNUMX.
Pilt nr 3
Diagrammil 3а iga kihi ja substraadi temperatuuri tõus (∆T) on nähtav, kui Gr/MoS2/WSe22 heterostruktuuri küttekeha võimsus suureneb.
Iga materjali (kihi) lineaarfunktsiooni kalded näitavad soojustakistust (Rth=∆T/P) üksiku kihi ja jahutusradiaatori vahel. Arvestades kütte ühtlast jaotumist piirkonnas, saab soojustakistusi kergesti analüüsida alumisest kihist ülemise kihini, mille käigus nende väärtused normaliseeritakse kanali pindalaga (WL).
L ja W on kanali pikkus ja laius, mis on oluliselt suuremad kui SiO substraadi paksus ja külgmine termilise kuumutamise pikkus, mis on ~ 2, 0.1 μm.
Seetõttu saame tuletada Si substraadi soojustakistuse valemi, mis näeb välja järgmine:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
Selles olukorras kSi ≈ 90 W m-1 K-1, mis on sellise tugevalt legeeritud substraadi eeldatav soojusjuhtivus.
Rth,WSe2 ja Rth,Si erinevus on 2 nm paksuse SiO100 soojustakistuse ja WSe2/SiO2 liidese termilise piirtakistuse (TBR) summa.
Kui kõik ülaltoodud aspektid kokku panna, saame kindlaks teha, et Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2 ja Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Seega graafikult 3а on võimalik eraldada TBR väärtus iga liidese WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 ja Gr/MoS2 jaoks.
Järgmisena võrdlesid teadlased kõigi heterostruktuuride soojustakistust, mida mõõdeti Ramani spektroskoopia ja termilise mikroskoopia abil (3b).
SiO2 kahe- ja kolmekihiliste heterostruktuuride efektiivne soojustakistus oli toatemperatuuril vahemikus 220–280 m2 K/GW, mis on samaväärne SiO2 soojustakistusega paksusega 290–360 nm. Vaatamata asjaolule, et uuritavate heterostruktuuride paksus ei ületa 2 nm (1d-1f), on nende soojusjuhtivus toatemperatuuril 0.007-0.009 W m−1 K−1.
Pilt nr 4
Pildil 4 on näidatud kõigi nelja konstruktsiooni mõõtmised ja nende liideste soojuspiirijuhtivus (TBC), mis võimaldab hinnata iga kihi mõjuastet eelnevalt mõõdetud soojustakistusele (TBC = 1 / TBR).
Teadlased märgivad, et see on esimene TBC mõõtmine aatomiliselt lähedaste liideste jaoks eraldi monokihtide (2D / 2D), eriti WSe2 ja SiO2 monokihtide vahel.
Ühekihilise WSe2/SiO2 liidese TBC on madalam kui mitmekihilisel WSe2/SiO2 liidesel, mis pole üllatav, kuna monokihil on edastamiseks saadaval oluliselt vähem painutusfononi režiime. Lihtsamalt öeldes on 2D kihtide vahelise liidese TBC madalam kui 2D kihi ja 3D SiO2 substraadi vahelise liidese TBC (4b).
Uuringu nüanssidega täpsemaks tutvumiseks soovitan vaadata и talle.
Epiloog
See uurimus, nagu teadlased ise väidavad, annab meile teadmisi, mida saab rakendada aatomitermiliste liideste rakendamisel. See töö näitas võimalust luua soojust isoleerivaid metamaterjale, mille omadusi looduses ei leidu. Lisaks kinnitas uuring ka võimalust teostada selliste struktuuride puhul täpseid temperatuurimõõtmisi, vaatamata kihtide aatommastaabile.
Ülalkirjeldatud heterostruktuurid võivad saada aluseks ülikergetele ja kompaktsetele termokilpidele, mis on võimelised näiteks eemaldama soojust elektroonika kuumadest kohtadest. Lisaks saab seda tehnoloogiat kasutada termoelektrilistes generaatorites või termiliselt juhitavates seadmetes, suurendades nende jõudlust.
See uuring kinnitab veel kord, et kaasaegne teadus on tõsiselt huvitatud põhimõttest "tõhusus sõrmkübaras", mida ei saa nimetada rumalaks ideeks, arvestades planeedi piiratud ressursse ja nõudluse pidevat kasvu kõikvõimalike tehnoloogiliste uuenduste järele.
Täname tähelepanu eest, olge uudishimulikud ja ilusat nädalat kõigile! 🙂
Täname, et jäite meiega. Kas teile meeldivad meie artiklid? Kas soovite näha huvitavamat sisu? Toeta meid, esitades tellimuse või soovitades sõpradele, Habri kasutajatele 30% allahindlus ainulaadsele algtaseme serverite analoogile, mille me teie jaoks välja mõtlesime: (saadaval RAID1 ja RAID10, kuni 24 tuuma ja kuni 40 GB DDR4-ga).
Dell R730xd 2 korda odavam? Ainult siin Hollandis! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – alates 99 dollarist! Millegi kohta lugema
Allikas: www.habr.com