اگر لپ تاپ دارید چرا پد گرمایشی: مطالعه مقاومت حرارتی در سطح اتمی

بسیاری از گیمرهای سراسر جهان که دوران ایکس‌باکس ۳۶۰ را تجربه کرده‌اند، کاملاً با تجربه تبدیل شدن کنسول خود به یک ماهیتابه مناسب برای سرخ کردن تخم‌مرغ آشنا هستند. این وضعیت ناگوار نه تنها در کنسول‌های بازی، بلکه در تلفن‌ها، لپ‌تاپ‌ها، تبلت‌ها و بسیاری از دستگاه‌های دیگر نیز رخ می‌دهد. در واقع، تقریباً هر دستگاه الکترونیکی می‌تواند دچار شوک حرارتی شود که نه تنها می‌تواند منجر به خرابی و ناامیدی صاحب آن شود، بلکه می‌تواند به خرابی باتری و آسیب جدی نیز منجر شود. امروز، در مورد مطالعه‌ای خواهیم آموخت که در آن دانشمندان دانشگاه استنفورد، مانند نیک فیوری از کمیک‌ها، سپری ایجاد کرده‌اند که از اجزای الکترونیکی حساس به گرما در برابر گرمای بیش از حد محافظت می‌کند و در نتیجه از خرابی آنها جلوگیری می‌کند. دانشمندان چگونه این سپر حرارتی را ایجاد کردند، اجزای اصلی آن چیست و چقدر مؤثر است؟ در گزارش تیم تحقیقاتی در مورد این و موارد دیگر خواهیم آموخت. بیایید شروع کنیم.

مبنای تحقیق

مشکل گرمای بیش از حد مدت‌هاست که شناخته شده است و دانشمندان به روش‌های مختلفی با آن مقابله کرده‌اند. از جمله محبوب‌ترین آنها می‌توان به معرفی لایه‌های شیشه، پلاستیک و حتی هوا اشاره کرد که به عنوان عایق حرارتی عمل می‌کنند. در محیط امروزی، این روش را می‌توان با کاهش ضخامت لایه محافظ به تنها چند اتم بدون از دست دادن خواص عایق حرارتی آن بهبود بخشید. این دقیقاً همان کاری است که محققان انجام داده‌اند.

البته ما در مورد نانومواد صحبت می‌کنیم. با این حال، استفاده از آنها در عایق حرارتی قبلاً با این واقعیت پیچیده بود که طول موج حامل‌های گرما (فونون‌ها*) به طور قابل توجهی کوتاه‌تر از الکترون‌ها یا فوتون‌ها است.

فونون* - شبه‌ذره‌ای که نشان‌دهنده‌ی یک کوانتوم حرکت ارتعاشی اتم‌ها در یک بلور است.

علاوه بر این، به دلیل ماهیت بوزونی فونون‌ها، کنترل آنها با ولتاژ (مانند کاری که با حامل‌های بار انجام می‌شود) غیرممکن است، که عموماً کنترل انتقال حرارت در جامدات را پیچیده می‌کند.

پیش از این، کنترل خواص حرارتی جامدات، همانطور که محققان به ما یادآوری می‌کنند، به دلیل بی‌نظمی ساختاری و چگالی بالای فصل مشترک، از طریق لایه‌های نازک نانولایه و ابرشبکه‌ها، یا به دلیل پراکندگی قوی فونون، از طریق نانوسیم‌های سیلیکون و ژرمانیوم انجام می‌شد.

دانشمندان اطمینان دارند که مواد دوبعدی، که ضخامت آنها بیش از چند اتم نیست، علاوه بر روش‌های عایق حرارتی که در بالا توضیح داده شد، می‌توانند به راحتی در مقیاس اتمی دستکاری شوند. آنها در مطالعه خود از ون در والس (vdW) مونتاژ لایه‌های دوبعدی با ضخامت اتمی برای دستیابی به مقاومت حرارتی بسیار بالا در سراسر ساختار ناهمگن آنها.

نیروهای ون در والس* — نیروهای برهمکنش بین مولکولی/بین اتمی با انرژی 10-20 کیلوژول بر مول.

این تکنیک جدید امکان دستیابی به مقاومت حرارتی در یک ساختار ناهمگن vdW با ضخامت 2 نانومتر را فراهم کرد که قابل مقایسه با مقاومت حرارتی در یک لایه SiO2 (دی اکسید سیلیکون) با ضخامت 300 نانومتر است.

علاوه بر این، استفاده از هتروساختارهای vdW امکان کنترل خواص حرارتی در سطح اتمی را با لایه‌بندی تک‌لایه‌های دوبعدی ناهمگن با چگالی جرم اتمی و مدهای ارتعاشی مختلف فراهم کرده است.

بنابراین، بیایید از حاشیه نرویم و شروع به بررسی نتایج این مطالعه شگفت‌انگیز کنیم.

نتایج مطالعه

اول از همه، بیایید با ویژگی‌های ریزساختاری و نوری هتروساختارهای vdW مورد استفاده در این مطالعه آشنا شویم.

تصویر شماره 1

روی تصویر 1a نمودار مقطعی از یک ساختار ناهمگن چهار لایه شامل (از بالا به پایین): گرافن (Gr)، MoSe2، MoS2، WSe22 و یک زیرلایه SiO2/Si نشان داده شده است. از یک تصویرگر سه‌بعدی برای اسکن همزمان همه لایه‌ها استفاده می‌شود. لیزر رامان* با طول موج ۵۳۲ نانومتر.

لیزر رامان* نوعی لیزر که در آن مکانیسم اصلی تقویت نور، پراکندگی رامان است.

پراکندگی رامانبه نوبه خود، پراکندگی غیرالاستیک تابش نوری بر روی مولکول‌های یک ماده است که با تغییر قابل توجهی در فرکانس تابش همراه است.

برای تأیید همگنی ریزساختاری، حرارتی و الکتریکی هتروساختارها، از چندین روش استفاده شد: میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی (STEM)، طیف‌سنجی فوتولومینسانس (PL)، میکروسکوپ پروب کلوین (KPM)، میکروسکوپ حرارتی روبشی (SThM) و همچنین طیف‌سنجی رامان و دماسنجی.

Изображение 1b طیف رامان هتروساختار Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 را روی زیرلایه SiO2/Si در محلی که با نقطه قرمز مشخص شده است، نشان می‌دهد. این نمودار امضای هر تک لایه در آرایه لایه‌ها و همچنین امضای زیرلایه Si را نشان می‌دهد.

بر 1c-1f تصاویر STEM میدان تاریک از هتروساختار Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 نشان داده شده است (1) و هتروساختارهای Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) با جهت‌گیری‌های شبکه‌ای مختلف. تصاویر STEM فواصل نزدیک اتمی vdW را بدون هیچ گونه آلودگی نشان می‌دهند که امکان مشاهده کامل ضخامت کلی این هتروساختارها را فراهم می‌کند. وجود کوپلینگ بین لایه‌ای نیز در نواحی اسکن بزرگ با استفاده از طیف‌سنجی فوتولومینسانس (PL) تأیید شد (1g). سیگنال فوتولومینسانس لایه‌های منفرد درون ساختار ناهمگن در مقایسه با سیگنال یک تک لایه ایزوله به طور قابل توجهی سرکوب می‌شود. این امر با فرآیند انتقال بار بین لایه‌ای به دلیل برهمکنش‌های نزدیک بین لایه‌ای توضیح داده می‌شود که پس از بازپخت حتی قوی‌تر می‌شوند.

تصویر شماره 2

برای اندازه‌گیری شار حرارتی عمود بر صفحات اتمی ساختار ناهمگن، آرایه لایه‌ای به صورت دستگاه‌های الکتریکی چهار پروبی ساختاردهی شد. لایه گرافن بالایی با الکترودهای پالادیوم (Pd) تماس پیدا می‌کند و به عنوان یک گرمکن برای اندازه‌گیری‌های دماسنجی رامان عمل می‌کند.

این روش گرمایش الکتریکی، تعیین دقیق توان ورودی را تضمین می‌کند. روش گرمایش نوری دیگر، به دلیل عدم آگاهی از ضرایب جذب لایه‌های منفرد، پیاده‌سازی آن دشوارتر خواهد بود.

بر 2a نموداری از اندازه‌گیری چهار پراب نشان داده شده است، و روی 2b نمای بالای سازه مورد آزمایش نشان داده شده است. نمودار 2 شکل، ویژگی‌های انتقال حرارتی اندازه‌گیری شده سه دستگاه را نشان می‌دهد، یکی فقط حاوی گرافن و دو دستگاه حاوی آرایه‌هایی از لایه‌های Gr/WSe22 و Gr/MoSe2/WSe22. همه دستگاه‌ها رفتار دوقطبی گرافن را نشان می‌دهند که به دلیل عدم وجود شکاف نواری است.

همچنین مشخص شد که رسانایی جریان و گرمایش در لایه بالایی (در گرافن) رخ می‌دهد، زیرا رسانایی الکتریکی آن چندین برابر بیشتر از MoS2 و WSe22 است.

برای نشان دادن همگنی دستگاه‌های آزمایش‌شده، اندازه‌گیری‌ها با استفاده از میکروسکوپ پروبی کلوین (KPM) و میکروسکوپ حرارتی روبشی (SThM) انجام شد. نمودار 2d اندازه‌گیری‌های KPM یک توزیع پتانسیل خطی را نشان می‌دهند. نتایج تحلیل SThM در ... نشان داده شده است. 2еدر اینجا نقشه‌ای از کانال‌های Gr/MoS2/WSe22 که به صورت الکتریکی گرم می‌شوند، و همچنین وجود یکنواختی در گرمایش سطح را مشاهده می‌کنیم.

تکنیک‌های اسکن شرح داده شده در بالا، به ویژه SThM، همگنی ساختار مورد مطالعه، یعنی همگنی دمایی آن را تأیید کردند. مرحله بعدی تعیین کمی دمای هر یک از لایه‌های تشکیل دهنده با استفاده از طیف‌سنجی رامان بود.

هر سه دستگاه، هر کدام با مساحت تقریبی ۴۰ میکرومتر مربع، آزمایش شدند. توان گرم‌کن ۹ میلی‌وات متغیر بود و توان لیزر جذب‌شده کمتر از حدود ۵ میکرووات با مساحت نقطه لیزر حدود ۰.۵ میکرومتر مربع باقی ماند.

تصویر شماره 3

روی نمودار 3a افزایش دما (∆T) هر لایه و زیرلایه با افزایش توان گرم‌کن در ساختار ناهمگن Gr/MoS2/WSe22 قابل مشاهده است.

شیب‌های تابع خطی برای هر ماده (لایه) نشان‌دهنده مقاومت حرارتی (Rth = ∆T/P) بین هر لایه و هیت سینک است. با توجه به توزیع یکنواخت گرما در سطح، مقاومت‌های حرارتی به راحتی از پایین به بالا تجزیه و تحلیل می‌شوند و مقادیر آنها بر اساس مساحت کانال (WL) نرمال‌سازی می‌شود.

L و W طول و عرض کانال هستند که به طور قابل توجهی بزرگتر از ضخامت زیرلایه SiO2 و طول گرمایش حرارتی جانبی هستند که تقریباً 0.1 میکرومتر است.

بنابراین، می‌توانیم فرمولی برای مقاومت حرارتی زیرلایه Si استخراج کنیم که به صورت زیر خواهد بود:

Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kسی)

در این وضعیت kSi ≈ 90 W m−1 K−1، که رسانایی حرارتی مورد انتظار از چنین زیرلایه آلیاژی بالایی است.

تفاوت بین Rth,WSe2 و Rth,Si برابر با مجموع مقاومت حرارتی SiO2 با ضخامت ۱۰۰ نانومتر و مقاومت مرزی حرارتی (TBR) فصل مشترک WSe2/SiO2 است.

با کنار هم قرار دادن تمام جنبه‌های فوق، می‌توانیم ثابت کنیم که Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2، و Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. بنابراین، از نمودار 3a مقدار TBR را می‌توان برای هر یک از فصل مشترک‌های WSe2/SiO2، MoS2/WSe2 و Gr/MoS2 استخراج کرد.

در مرحله بعد، دانشمندان مقاومت حرارتی کل همه هتروساختارها را که با استفاده از طیف‌سنجی رامان و میکروسکوپ حرارتی اندازه‌گیری شده بود، مقایسه کردند (3b).

هتروساختارهای دولایه و سه‌لایه روی SiO2 مقاومت حرارتی مؤثری در محدوده 220 تا 280 متر مربع کلوین بر گیگاوات در دمای اتاق نشان دادند که معادل مقاومت حرارتی SiO2 با ضخامت 290 تا 360 نانومتر است. با وجود این واقعیت که ضخامت هتروساختارهای مورد مطالعه از 2 نانومتر تجاوز نمی‌کند (1d-1f) ، رسانایی حرارتی آنها در دمای اتاق 0.007-0.009 W m−1 K−1 است.

تصویر شماره 4

شکل ۴ نتایج اندازه‌گیری‌های هر چهار ساختار و رسانایی حرارتی (TBC) فصل مشترک آن‌ها را نشان می‌دهد که به ما امکان می‌دهد میزان تأثیر هر لایه را بر مقاومت حرارتی اندازه‌گیری شده قبلی (TBC = 1 / TBR) تخمین بزنیم.

محققان خاطرنشان می‌کنند که این اولین اندازه‌گیری TBC برای رابط‌های نزدیک به اتم بین تک‌لایه‌های جداگانه (2D/2D)، به‌ویژه بین تک‌لایه‌های WSe2 و SiO2 است.

TBC فصل مشترک تک لایه WSe2/SiO2 کمتر از چند لایه WSe2/SiO2 است، که جای تعجب نیست زیرا مدهای فونون خمشی قابل توجهی کمتری برای انتقال در تک لایه وجود دارد. به عبارت ساده، TBC فصل مشترک بین لایه‌های دوبعدی کمتر از TBC فصل مشترک بین لایه دوبعدی و زیرلایه سه بعدی SiO2 است (4b).

برای آشنایی دقیق تر با تفاوت های ظریف مطالعه، توصیه می کنم نگاه کنید دانشمندان گزارش می دهند и مواد اضافی به او.

خاتمه

این مطالعه، همانطور که خود دانشمندان ادعا می‌کنند، دانشی را در اختیار ما قرار می‌دهد که می‌تواند در پیاده‌سازی رابط‌های حرارتی اتمی به کار رود. این کار امکان ایجاد فرامواد عایق حرارتی با خواصی که در طبیعت یافت نمی‌شوند را نشان داد. علاوه بر این، این مطالعه همچنین امکان انجام اندازه‌گیری‌های دمایی بسیار دقیق از چنین ساختارهایی را، علیرغم مقیاس اتمی لایه‌ها، تأیید کرد.

ساختارهای ناهمگنی که در بالا توضیح داده شد می‌توانند پایه و اساس "سپرهای حرارتی" فوق سبک و فشرده را تشکیل دهند که به عنوان مثال قادر به حذف گرما از نقاط داغ در الکترونیک هستند. علاوه بر این، این فناوری می‌تواند در ژنراتورهای ترموالکتریک یا دستگاه‌های کنترل حرارتی مورد استفاده قرار گیرد و عملکرد آنها را افزایش دهد.

این مطالعه بار دیگر تأیید می‌کند که علم مدرن به طور جدی مجذوب اصل «کارایی در حد یک انگشت» شده است، که با توجه به منابع محدود سیاره و تقاضای روزافزون برای انواع نوآوری‌های تکنولوژیکی، ایده‌ای احمقانه نیست.

از توجه شما متشکرم، کنجکاو بمانید و هفته خوبی برای همه داشته باشید! 🙂

از اینکه با ما ماندید متشکرم آیا مقالات ما را دوست دارید؟ آیا می خواهید مطالب جالب تری ببینید؟ با ثبت سفارش یا معرفی به دوستان از ما حمایت کنید 30٪ تخفیف برای کاربران Habr در آنالوگ منحصر به فرد سرورهای سطح ورودی که توسط ما برای شما اختراع شده است: تمام حقیقت در مورد VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps از 20 دلار یا چگونه سرور را به اشتراک بگذاریم؟ (در دسترس با RAID1 و RAID10، حداکثر 24 هسته و حداکثر 40 گیگابایت DDR4).

Dell R730xd 2 برابر ارزان تر است؟ فقط اینجا 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV از 199 دلار در هلند! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - از 99 دلار! در مورد بخوانید نحوه ساخت شرکت زیرساخت کلاس با استفاده از سرورهای Dell R730xd E5-2650 v4 به ارزش 9000 یورو برای یک پنی؟

منبع: www.habr.com