Xbox 360 garaia bizi izan zuten mundu osoko jokalari askok euren kontsola arrautzak frijitu ahal izateko zartagin bihurtu zeneko egoera ezagutzen dute. Antzeko egoera tristea gertatzen da ez bakarrik joko kontsolekin, baita telefonoekin, ordenagailu eramangarriekin, tabletekin eta askoz gehiagorekin ere. Printzipioz, ia edozein gailu elektronikoek shock termikoa jasan dezakete, eta horrek bere jabearen porrota eta atsekabea ez ezik, bateriaren "boom txarra" eta lesio larriak ere ekar ditzake. Gaurkoan, Stanford Unibertsitateko zientzialariek, komikietako Nick Furyk bezala, beroarekiko sentikorrak diren pieza elektronikoak gehiegi berotzetik babesten dituen eta, ondorioz, matxura saihesten duen armarria sortu duten ikerketa bat ezagutuko dugu. Nola lortu zuten zientzialariek ezkutu termiko bat sortzea, zeintzuk dira haren osagai nagusiak eta zein eraginkorra den? Horren berri eta gehiago jakin dugu ikerketa taldearen txostenean. Zoaz.
Ikerketaren oinarria
Gehiegizko berotzearen arazoa aspalditik ezagutzen da, eta zientzialariek hainbat modutan konpontzen dute. Ezagunenetako batzuk beira, plastikoa eta baita aire geruzak ere erabiltzea dira, erradiazio termikoaren isolatzaile moduko gisa balio dutenak. Errealitate modernoetan, metodo hau hobetu daiteke babes-geruzaren lodiera hainbat atomotara murriztuz, isolamendu termikoko propietateak galdu gabe. Horixe egin zuten ikertzaileek.
Nanomaterialez ari gara, noski. Hala ere, isolamendu termikoan erabiltzea lehendik zaildu zen hozgarrien uhin-luzera (fonoiak*) elektroien edo fotoien baino nabarmen laburragoa da.
Telefonoa* - kuasipartikula bat, kristal atomoen bibrazio-higiduraren kuantikoa dena.
Gainera, fonoien izaera bosonikoa dela eta, ezinezkoa da tentsioaren bidez kontrolatzea (karga-eramaileekin egiten den bezala), eta horrek, oro har, zaildu egiten du solidoen bero-transferentzia kontrolatzea.
Aurretik, solidoen propietate termikoak, ikertzaileek gogorarazi dutenez, nanolaminatozko filmen eta supersareen bidez kontrolatzen ziren egitura-nahastearen eta dentsitate handiko interfazeen ondorioz, edo silizio eta germanio-harien bidez, fonoien sakabanaketa indartsuaren ondorioz.
Goian deskribatutako isolamendu termikoko metodo batzuei, zientzialariak konfiantzaz prest daude bi dimentsioko materialak egozteko, eta horien lodiera ez da atomo batzuk gainditzen, eta horrek erraz kontrolatzen ditu eskala atomikoan. Haien azterketan erabili zuten van der Waals (vdW) 2D geruza atomikoki meheen muntaketa, haien heteroegitura osoan erresistentzia termiko oso altua lortzeko.
Van der Waals indarrak* β 10-20 kJ/mol-eko energia duten interakzio-indarrak molekular/interatomikoak.
Teknika berriari esker, erresistentzia termikoa lortu ahal izan da 2 nm-ko lodierako vdW heteroegitura batean 2 nm-ko lodierako SiO300 (silizio dioxidoa) geruzaren parekoa.
Horrez gain, vdW heteroegituren erabilerari esker, maila atomikoko propietate termikoen kontrola lortu ahal izan da, masa atomiko-dentsitate eta bibrazio-modu desberdinak dituzten XNUMXD monogeruza heterogeneoen geruzetan.
Beraz, ez diezaiogun katuaren biboteei tira eta has gaitezen ikerketa harrigarri honen emaitzak kontuan hartzen.
Ikerketaren emaitzak
Lehenik eta behin, azter ditzagun ikerketa honetan erabilitako vdW heteroegituren mikroegitura eta ezaugarri optikoak.
Irudia #1
Irudian 1a Lau geruzako heteroegitura baten zeharkako diagrama bat erakusten du (goitik behera): grafenoa (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 eta SiO2/Si substratu bat. Geruza guztiak aldi berean eskaneatzeko, erabili Raman laserra* 532 nm-ko uhin-luzerarekin.
Raman laserra* - argia anplifikatzeko mekanismo nagusia Raman sakabanaketa den laser mota bat.
Raman sakabanaketa, berriz, erradiazio optikoaren sakabanaketa ez-elastikoa da substantzia baten molekulen gainean, erradiazioen maiztasunaren aldaketa nabarmenarekin batera.
Hainbat metodo erabili ziren heteroegituren mikroegitura, termiko eta elektrikoaren homogeneotasuna baieztatzeko: mikro-transmisiozko mikroskopia elektronikoa (STEM), fotoluminiszentzia espektroskopia (PL), Kelvin zunda mikroskopia (KPM), mikroskopio termikoa (SThM) eta Raman espektroskopia. termometria .
ΠΠ·ΠΎΠ±ΡΠ°ΠΆΠ΅Π½ΠΈΠ΅ 1b Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 heteroegitura baten Raman espektroa erakusten digu SiO2/Si substratu batean puntu gorri batekin markatutako tokian. Grafiko honek geruza-matrizeko monogeruza bakoitzaren sinadura erakusten du, baita Si substratuaren sinadura ere.
On 1c-1f Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 heteroegituraren eremu iluneko STEM irudiak erakusten dira (1c) eta Gr/MoS2/WSe22 heteroegiturak (1d-1f) sarearen orientazio ezberdinekin. STEM irudiek atomikoki itxitako vdW hutsuneak erakusten dituzte inongo kutsadurarik gabe, heteroegitura horien lodiera orokorra guztiz ikusgai izatea ahalbidetuz. Geruzen arteko akoplamenduaren presentzia ere baieztatu zen miaketa eremu handietan fotoluminiszentzia (PL) espektroskopia erabiliz (1g). Heteroegituraren barruko geruza indibidualen seinale fotoluminiszentea nabarmen ezabatzen da geruza monogeruza isolatu baten seinalearekin alderatuta. Hau geruzen arteko karga-transferentziaren prozesuak azaltzen du geruzen arteko elkarreragin estuaren ondorioz, eta hori sendotu ondoren are indartsuagoa bihurtzen da.
Irudia #2
Heteroegituraren plano atomikoekiko perpendikularra den bero-fluxua neurtzeko, geruzen multzoa lau zundako gailu elektrikoen moduan egituratu zen. Grafenoaren goiko geruzak paladiozko (Pd) elektrodoekin harremanetan jartzen da eta Raman termometria neurtzeko berogailu gisa erabiltzen da.
Berokuntza elektrikoaren metodo honek sarrerako potentziaren kuantifikazio zehatza eskaintzen du. Berotze-metodo posible bat, optikoa, ezartzea zailagoa izango litzateke geruza indibidualen xurgapen-koefizienteak ez jakiteagatik.
On 2a lau zundako neurketa-zirkuitu bat erakusten du, eta 2b probatzen ari den egituraren goiko ikuspegia erakusten du. Ordutegia 2c hiru gailuren neurtutako bero-transferentziaren ezaugarriak erakusten ditu, bata grafenoa baino ez duena eta bi Gr/WSe22 eta Gr/MoSe2/WSe22 geruza-matrizeak dituztenak. Aldaera guztiek grafenoaren portaera anbipolarra erakusten dute, banda-hutsunerik ezarekin lotuta dagoena.
Gainera, korronte-eroapena eta berokuntza goiko geruzan (grafenoa) gertatzen direla aurkitu zen, bere eroankortasun elektrikoa MoS2 eta WSe22-ena baino hainbat magnitude-ordena handiagoa baita.
Probatu diren gailuen homogeneotasuna frogatzeko, neurketak egin dira Kelvin zunda-mikroskopia (KPM) eta ekorketa-mikroskopia termikoa (SThM) erabiliz. Taulan 2d KPM neurketak bistaratzen dira potentzial banaketa lineala agerian utziz. SThM analisiaren emaitzak atalean agertzen dira 2e. Hemen elektrikoki berotutako Gr/MoS2/WSe22 kanalen mapa ikusten dugu, baita gainazaleko berokuntzan uniformetasunaren presentzia ere.
Goian deskribatutako miaketa-teknikek, bereziki SThM-ek, aztergai dugun egituraren homogeneotasuna, hau da, bere homogeneotasuna, tenperaturari dagokionez, baieztatu zuten. Hurrengo urratsa geruza osatzen duten bakoitzaren tenperatura kuantifikatzea izan zen Raman espektroskopia erabiliz (hau da, Raman espektroskopia).
Hiru gailuak probatu ziren, bakoitza ~ 40 Β΅m2-ko azalerarekin. Kasu honetan, berogailuaren potentzia 9 mW-tan aldatu zen, eta xurgatutako laser potentzia ~ 5 ΞΌW-tik beherakoa zen ~ 0.5 ΞΌm2-ko laser-eremuarekin.
Irudia #3
Taulan 3a geruza eta substratu bakoitzaren tenperaturaren (βT) igoera ikusten da Gr/MoS2/WSe22 heteroegituran berogailu-potentzia handitu ahala.
Material (geruza) bakoitzaren funtzio linealaren maldek adierazten dute erresistentzia termikoa (Rth=βT/P) geruza indibidualaren eta dissipadoraren artean. Beroketaren banaketa uniformea ββkontuan hartuta, erresistentzia termikoak erraz azter daitezke behetik goiko geruzaraino, eta horietan haien balioak kanalaren eremuaren (WL) normalizatzen dira.
L eta W kanalaren luzera eta zabalera dira, SiO2 substratuaren lodiera eta alboko berogailu termikoaren luzera, hau da, ~ 0.1 ΞΌm baino nabarmen handiagoak.
Hori dela eta, Si substratuaren erresistentzia termikoaren formula atera dezakegu, itxura hau izango duena:
Rth,Si β (WL)1/2 / (2kSi)
Egoera honetan kSi β 90 W mβ1 Kβ1, hau da, oso dopatutako substratu baten espero den eroankortasun termikoa.
Rth,WSe2 eta Rth,Si-ren arteko aldea 2 nm-ko SiO100-ren erresistentzia termikoaren eta WSe2/SiO2 interfazearen muga-erresistentzia termikoaren (TBR) batura da.
Aurreko alderdi guztiak elkartuz, Rth,MoS2 β Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2 eta Rth,Gr β Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2 direla finkatu dezakegu. Beraz, grafikotik 3a WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 eta Gr/MoS2 interfaze bakoitzeko TBR balioa atera daiteke.
Ondoren, zientzialariek heteroegitura guztien erresistentzia termiko osoa alderatu zuten, Raman espektroskopia eta mikroskopia termikoa erabiliz neurtuta (3b).
SiO2-ko bi geruza eta hiru geruzako heteroegiturak 220 eta 280 m2 K/GW bitarteko erresistentzia termiko eraginkorra erakutsi zuten giro-tenperaturan, hau da, 2 eta 290 nm-ko lodiera duen SiO360-ren erresistentzia termikoaren baliokidea. Aztertutako heteroegituren lodiera 2 nm-tik gorakoa ez den arren (1d-1f), haien eroankortasun termikoa 0.007-0.009 W mβ1 Kβ1 da giro-tenperaturan.
Irudia #4
4. irudiak lau egituren neurketak eta haien interfazeen muga termikoko eroankortasuna (TBC) erakusten ditu, eta horri esker geruza bakoitzak aurrez neurtutako erresistentzia termikoaren gainean duen eragin-maila ebaluatu ahal izango dugu (TBC = 1 / TBR).
Ikertzaileek adierazi dutenez, hau da TBC neurketa atomikoki hurbileko monogeruza (2D/2D) arteko interfazeetarako, zehazki, WSe2 eta SiO2 monogeruzaren artean.
WSe2/SiO2 interfaze monogeruza baten TBC geruza anitzeko WSe2/SiO2 interfaze batena baino txikiagoa da, eta hori ez da harritzekoa, monogeruzak transmisiorako erabilgarri dauden fonoi-modu okertu nabarmen gutxiago dituelako. Besterik gabe, 2D geruzen arteko interfazearen TBC txikiagoa da 2D geruzaren eta 3D SiO2 substratuaren arteko interfazearen TBC baino (4b).
Ikerketaren Γ±abardurak zehatzago ezagutzeko, begiratzea gomendatzen dut ΠΈ berari.
Epilogoa
Ikerketa honek, zientzialariek beraiek diotenez, interfaze termiko atomikoen ezarpenean aplika daitezkeen ezagutzak ematen dizkigu. Lan honek bere propietateak naturan aurkitzen ez diren metamaterial bero-isolatzaileak sortzeko aukera erakutsi zuen. Horrez gain, ikerketak halako egituren tenperatura neurketa zehatzak egiteko aukera ere baieztatu zuen, geruzen eskala atomikoa gorabehera.
Goian deskribatutako heteroegiturak "ezkutu" termiko arin eta trinkoen oinarri bihur daitezke, adibidez, elektronikako puntu beroetatik beroa kentzeko gai direnak. Gainera, teknologia hau sorgailu termoelektrikoetan edo termikoki kontrolatutako gailuetan erabil daiteke, haien errendimendua areagotuz.
Ikerketa honek berretsi egiten du beste behin zientzia modernoak serio interesatzen duela "titare batean eraginkortasuna" printzipioa, eta horri ezin zaio ideia ergel bat deitu, planetaren baliabide mugatuak eta berrikuntza teknologikoen eskaera etengabe hazten ari direla kontuan hartuta.
Eskerrik asko zure arretagatik, jakin-min egon zaitez eta aste ona izan denoi! π
Eskerrik asko gurekin geratzeagatik. Gustuko dituzu gure artikuluak? Eduki interesgarri gehiago ikusi nahi? Lagun iezaguzu eskaera bat eginez edo lagunei gomendatuz, % 30eko deskontua Habr erabiltzaileentzat sarrera-mailako zerbitzarien analogo berezi batean, guk zuk asmatu duguna: (RAID1 eta RAID10-ekin erabilgarri, 24 nukleoraino eta 40 GB DDR4 arte).
Dell R730xd 2 aldiz merkeagoa? Hemen bakarrik Herbehereetan! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 $-tik aurrera! Irakurri buruz
Iturria: www.habr.com