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

بسیاری از گیمرها در سراسر جهان که دوران ایکس باکس 360 را تجربه کردند، با شرایطی که کنسول آنها تبدیل به ماهیتابه ای شد که می توانستند روی آن تخم مرغ سرخ کنند، بسیار آشنا هستند. وضعیت غم انگیز مشابهی نه تنها در مورد کنسول های بازی، بلکه در مورد تلفن ها، لپ تاپ ها، تبلت ها و موارد دیگر نیز رخ می دهد. در اصل، تقریباً هر دستگاه الکترونیکی می تواند شوک حرارتی را تجربه کند، که می تواند نه تنها منجر به خرابی و ناراحتی صاحب آن شود، بلکه به "بوم بد" باتری و آسیب جدی منجر شود. امروز با مطالعه‌ای آشنا می‌شویم که در آن دانشمندان دانشگاه استنفورد، مانند نیک فیوری از کمیک‌ها، محافظی ساخته‌اند که از گرم شدن بیش از حد قطعات الکترونیکی حساس به حرارت محافظت می‌کند و در نتیجه از خراب شدن آنها جلوگیری می‌کند. چگونه دانشمندان موفق به ایجاد یک سپر حرارتی شدند، اجزای اصلی آن چیست و چقدر موثر است؟ از گزارش گروه پژوهشی به این موضوع و بیشتر پی می بریم. برو

مبنای تحقیق

مشکل گرمای بیش از حد برای مدت طولانی شناخته شده است و دانشمندان آن را به روش های مختلفی حل می کنند. برخی از محبوب ترین آنها استفاده از شیشه، پلاستیک و حتی لایه های هوا هستند که به عنوان نوعی عایق تشعشع حرارتی عمل می کنند. در واقعیت های مدرن، این روش را می توان با کاهش ضخامت لایه محافظ به چندین اتم بدون از دست دادن خواص عایق حرارتی آن بهبود بخشید. این دقیقاً همان کاری است که محققان انجام دادند.

ما البته در مورد نانومواد صحبت می کنیم. با این حال، استفاده از آنها در عایق حرارتی قبلاً به دلیل این واقعیت پیچیده بود که طول موج خنک کننده ها (فونون*) به طور قابل توجهی کوتاه تر از الکترون ها یا فوتون ها است.

فونون* - یک شبه ذره که کوانتومی از حرکت ارتعاشی اتم های کریستال است.

علاوه بر این، به دلیل ماهیت بوزونی فونون ها، کنترل آنها توسط ولتاژ غیرممکن است (همانطور که با حامل های بار انجام می شود)، که به طور کلی کنترل انتقال حرارت در جامدات را دشوار می کند.

پیش از این، همانطور که محققان به ما یادآوری می‌کنند، خواص حرارتی جامدات به دلیل اختلالات ساختاری و چگالی بالا یا از طریق نانوسیم‌های سیلیکون و ژرمانیوم به دلیل پراکندگی فونون قوی، از طریق لایه‌های نانوولامینات و سوپرشبکه‌ها کنترل می‌شد.

به تعدادی از روش‌های عایق حرارتی که در بالا توضیح داده شد، دانشمندان با اطمینان آماده هستند تا مواد دو بعدی را نسبت دهند که ضخامت آنها از چندین اتم تجاوز نمی‌کند، که کنترل آنها را در مقیاس اتمی آسان می‌کند. در مطالعه خود استفاده کردند واندروالس (vdW) مونتاژ لایه‌های دوبعدی نازک اتمی برای دستیابی به مقاومت حرارتی بسیار بالا در سراسر ساختار ناهمسان آنها.

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

این تکنیک جدید امکان به دست آوردن مقاومت حرارتی را در یک ساختار ناهمسان vdW با ضخامت 2 نانومتر که در یک لایه SiO2 (دی اکسید سیلیکون) با ضخامت 300 نانومتر قابل مقایسه است، میسر ساخت.

علاوه بر این، استفاده از ساختارهای ناهمگن vdW، کنترل خواص حرارتی در سطح اتمی را از طریق لایه‌بندی تک لایه‌های ناهمگن دوبعدی با چگالی جرم اتمی و حالت‌های ارتعاشی مختلف ممکن کرده است.

بنابراین، بیایید سبیل گربه را نکشیم و به بررسی نتایج این تحقیق شگفت انگیز بپردازیم.

نتایج مطالعه

ابتدا اجازه دهید با ویژگی های ریزساختاری و نوری ناهمسازه های vdW مورد استفاده در این مطالعه آشنا شویم.

تصویر شماره 1

روی تصویر 1a نمودار مقطعی از یک ساختار ناهمگن چهار لایه متشکل از (از بالا به پایین): گرافن (Gr)، MoSe2، MoS2، WSe22 و یک بستر SiO2/Si را نشان می دهد. برای اسکن همه لایه ها به طور همزمان، استفاده کنید لیزر رامان* با طول موج 532 نانومتر.

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

رامان پراکندگیبه نوبه خود، پراکندگی غیر کشسان تابش نوری بر روی مولکول های یک ماده است که با تغییر قابل توجهی در فرکانس تابش همراه است.

چندین روش برای تایید همگنی ریزساختاری، حرارتی و الکتریکی ناهمگونی ساختارها استفاده شد: میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی (STEM)، طیف‌سنجی فوتولومینسانس (PL)، میکروسکوپ پروب کلوین (KPM)، میکروسکوپ حرارتی روبشی (SThM) و همچنین طیف‌سنجی رامان و دماسنج .

Изображение 1b طیف رامان یک ناهمساختار Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 را روی یک بستر SiO2/Si در محل مشخص شده با نقطه قرمز به ما نشان می دهد. این نمودار امضای هر تک لایه در آرایه لایه و همچنین امضای زیرلایه Si را نشان می دهد.

بر 1c-1f تصاویر STEM میدان تاریک از ساختار ناهمگن Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 نشان داده شده است (1) و ناهمساختارهای Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) با جهت های شبکه های مختلف. تصاویر STEM شکاف‌های نزدیک به اتمی vdW را بدون هیچ گونه آلودگی نشان می‌دهند، که اجازه می‌دهد ضخامت کلی این ساختارهای ناهمگون کاملاً قابل مشاهده باشد. وجود جفت بین لایه‌ای نیز در مناطق بزرگ روبشی با استفاده از طیف‌سنجی فوتولومینسانس (PL) تایید شد.1g). سیگنال فوتولومنسانس لایه‌های منفرد در داخل ساختار ناهمسان به طور قابل توجهی در مقایسه با سیگنال یک تک لایه جدا شده سرکوب می‌شود. این با فرآیند انتقال بار بین لایه ای به دلیل تعامل بین لایه ای نزدیک توضیح داده می شود که پس از بازپخت حتی قوی تر می شود.

تصویر شماره 2

به منظور اندازه گیری جریان گرما عمود بر صفحات اتمی ساختار ناهمگن، آرایه لایه ها به شکل دستگاه های الکتریکی چهار پروب ساخته شد. لایه بالایی گرافن با الکترودهای پالادیوم (Pd) تماس می گیرد و به عنوان گرم کننده برای اندازه گیری دماسنج رامان استفاده می شود.

این روش گرمایش الکتریکی کمیت دقیق توان ورودی را فراهم می کند. یکی دیگر از روش های گرمایش ممکن، نوری، به دلیل ناآگاهی از ضرایب جذب لایه های جداگانه، اجرای آن دشوارتر خواهد بود.

بر 2a مدار اندازه گیری چهار پروب را نشان می دهد و 2b نمای بالایی از سازه در حال آزمایش را نشان می دهد. برنامه 2 ویژگی‌های انتقال حرارت اندازه‌گیری شده را برای سه دستگاه نشان می‌دهد، یکی حاوی تنها گرافن و دو دستگاه حاوی آرایه‌های لایه‌ای Gr/WSe22 و Gr/MoSe2/WSe22 است. همه گونه ها رفتار دوقطبی گرافن را نشان می دهند که با عدم وجود شکاف نواری همراه است.

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

برای نشان دادن همگنی دستگاه‌های مورد آزمایش، اندازه‌گیری‌ها با استفاده از میکروسکوپ پروب کلوین (KPM) و میکروسکوپ حرارتی روبشی (SThM) انجام شد. روی نمودار 2d اندازه گیری های KPM نمایش داده می شود که توزیع پتانسیل خطی را نشان می دهد. نتایج تجزیه و تحلیل SThM در نشان داده شده است 2е. در اینجا نقشه ای از کانال های Gr/MoS2/WSe22 با گرمایش الکتریکی و همچنین وجود یکنواختی در گرمایش سطح را می بینیم.

تکنیک های اسکن توصیف شده در بالا، به ویژه SThM، همگنی ساختار مورد مطالعه، یعنی همگن بودن آن را از نظر دما تایید کرد. مرحله بعدی تعیین کمیت دمای هر یک از لایه‌های سازنده با استفاده از طیف‌سنجی رامان (یعنی طیف‌سنجی رامان) بود.

هر سه دستگاه با مساحت ~40 میکرومتر مربع آزمایش شدند. در این مورد، قدرت بخاری 2 میلی وات تغییر کرد و توان لیزر جذب شده زیر ~ 9 میکرووات با منطقه نقطه لیزر ~ 5 میکرومتر مربع بود.

تصویر شماره 3

روی نمودار 3a افزایش درجه حرارت (∆T) هر لایه و بستر با افزایش قدرت گرمکن در ساختار ناهمسان Gr/MoS2/WSe22 قابل مشاهده است.

شیب تابع خطی برای هر ماده (لایه) نشان دهنده مقاومت حرارتی (Rth=∆T/P) بین لایه جداگانه و هیت سینک است. با توجه به توزیع یکنواخت گرمایش در منطقه، مقاومت های حرارتی را می توان به راحتی از لایه پایین به بالا تجزیه و تحلیل کرد، که طی آن مقادیر آنها توسط ناحیه کانال (WL) نرمال می شود.

L و W طول و عرض کانال هستند که به طور قابل توجهی بیشتر از ضخامت بستر SiO2 و طول گرمایش حرارتی جانبی است که ~0.1 میکرومتر است.

بنابراین، می‌توانیم فرمول مقاومت حرارتی زیرلایه Si را استخراج کنیم که به شکل زیر است:

Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)

در این موقعیت kSi ≈ 90 W m-1 K-1، که هدایت حرارتی مورد انتظار چنین بستر بسیار دوپینگی است.

تفاوت بین Rth,WSe2 و Rth,Si مجموع مقاومت حرارتی SiO2 با ضخامت 100 نانومتر و مقاومت مرزی حرارتی (TBR) رابط WSe2/SiO2 است.

با کنار هم قرار دادن تمام جنبه های بالا، می توانیم ثابت کنیم که Rth,MoS2 - Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2 و Rth,Gr - Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. بنابراین، از نمودار 3a استخراج مقدار TBR برای هر یک از واسط های WSe2/SiO2، MoS2/WSe2 و Gr/MoS2 امکان پذیر است.

سپس، دانشمندان مقاومت حرارتی کل تمام ساختارهای ناهمسان را با استفاده از طیف‌سنجی رامان و میکروسکوپ حرارتی مقایسه کردند.3b).

هتروساختارهای دولایه و سه لایه روی SiO2 مقاومت حرارتی موثری در محدوده 220 تا 280 متر مربع K/GW در دمای اتاق از خود نشان دادند که معادل مقاومت حرارتی SiO2 با ضخامت 2 تا 290 نانومتر است. علیرغم این واقعیت که ضخامت ساختارهای ناهمگون مورد مطالعه از 360 نانومتر تجاوز نمی کند.1d-1fهدایت حرارتی آنها 0.007-0.009 W m-1 K-1 در دمای اتاق است.

تصویر شماره 4

تصویر 4 اندازه گیری هر چهار ساختار و رسانایی مرزی حرارتی (TBC) رابط های آنها را نشان می دهد که به ما امکان می دهد درجه تأثیر هر لایه را بر مقاومت حرارتی اندازه گیری شده قبلی ارزیابی کنیم (TBC = 1 / TBR).

محققان خاطرنشان می کنند که این اولین اندازه گیری TBC برای رابط های اتمی نزدیک بین تک لایه های جداگانه (2D/2D)، به ویژه بین تک لایه های WSe2 و SiO2 است.

TBC یک رابط تک لایه WSe2/SiO2 کمتر از رابط چندلایه WSe2/SiO2 است، که جای تعجب نیست زیرا تک لایه حالت های فونون خمشی به میزان قابل توجهی برای انتقال در دسترس است. به عبارت ساده تر، TBC رابط بین لایه های 2 بعدی کمتر از TBC رابط بین لایه 2 بعدی و زیرلایه 3D 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 تحقیق همانطور که خود دانشمندان ادعا می کنند، دانشی را به ما می دهد که می تواند در پیاده سازی رابط های حرارتی اتمی استفاده شود. این کار امکان ایجاد فرامواد عایق حرارت را نشان داد که خواص آنها در طبیعت یافت نمی شود. علاوه بر این، این مطالعه همچنین امکان انجام اندازه‌گیری دقیق دمای چنین ساختارهایی را با وجود مقیاس اتمی لایه‌ها تأیید کرد.

ساختارهای ناهمسانی که در بالا توضیح داده شد می توانند مبنایی برای "سپرهای حرارتی فوق العاده سبک و فشرده" شوند که به عنوان مثال قادر به حذف گرما از نقاط داغ در الکترونیک هستند. علاوه بر این، می توان از این فناوری در ژنراتورهای ترموالکتریک یا دستگاه های کنترل حرارتی استفاده کرد و عملکرد آنها را افزایش داد.

این مطالعه بار دیگر تأیید می کند که علم مدرن به طور جدی به اصل "کارایی در یک انگشتانه" علاقه مند است، که با توجه به منابع محدود سیاره و رشد مداوم تقاضا برای انواع نوآوری های تکنولوژیکی، نمی توان آن را یک ایده احمقانه نامید.

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