Monet Xbox 360 -aikakauden kokeneet pelaajat ympäri maailmaa tuntevat hyvin tilanteen, kun heidän konsolinsa muuttui paistinpannuksi, jolla he voivat paistaa munia. Samanlainen surullinen tilanne ei esiinny vain pelikonsoleissa, vaan myös puhelimissa, kannettavissa tietokoneissa, tableteissa ja paljon muuta. Periaatteessa melkein mikä tahansa elektroninen laite voi kokea lämpöshokin, mikä voi johtaa paitsi sen epäonnistumiseen ja omistajan järkyttymiseen, myös akun "huonoon puomiin" ja vakavaan loukkaantumiseen. Tänään tutustumme tutkimukseen, jossa Stanfordin yliopiston tutkijat, kuten sarjakuvien Nick Fury, ovat luoneet suojuksen, joka suojaa lämpöherkkiä elektronisia osia ylikuumenemiselta ja estää sen seurauksena niiden rikkoutumisen. Kuinka tiedemiehet onnistuivat luomaan lämpösuojan, mitkä ovat sen pääkomponentit ja kuinka tehokas se on? Opimme tästä ja paljon muuta tutkimusryhmän raportista. Mennä.
Tutkimuspohja
Ylikuumenemisongelma on ollut tiedossa hyvin pitkään, ja tutkijat ratkaisevat sen monin eri tavoin. Jotkut suosituimmista ovat lasin, muovin ja jopa ilmakerrosten käyttö, jotka toimivat eräänlaisena lämpösäteilyn eristäjänä. Nykytodellisuudessa tätä menetelmää voidaan parantaa vähentämällä suojakerroksen paksuutta useisiin atomeihin menettämättä lämmöneristysominaisuuksiaan. Juuri näin tutkijat tekivät.
Puhumme tietysti nanomateriaaleista. Niiden käyttöä lämmöneristykseen vaikeutti kuitenkin aiemmin se, että jäähdytysnesteiden aallonpituus (fononit*) on huomattavasti lyhyempi kuin elektronien tai fotonien.
Phonon* - kvasihiukkanen, joka on kideatomien värähtelyliikkeen kvantti.
Lisäksi fononien bosonisen luonteen vuoksi niitä on mahdotonta ohjata jännitteellä (kuten varauksenkuljettajien kanssa), mikä yleensä vaikeuttaa lämmönsiirron hallintaa kiinteissä aineissa.
Aiemmin kiinteiden aineiden lämpöominaisuuksia, kuten tutkijat muistuttavat, hallittiin nanolaminaattikalvojen ja superhilojen avulla rakenteellisen häiriön ja suuritiheyksien rajapintojen vuoksi tai pii- ja germanium-nanolankojen avulla voimakkaan fononien sironnan vuoksi.
Useisiin edellä kuvattuihin lämmöneristysmenetelmiin tiedemiehet ovat luottavaisesti valmiita osoittamaan kaksiulotteisia materiaaleja, joiden paksuus ei ylitä useita atomeja, mikä tekee niistä helposti hallittavissa atomimittakaavassa. He käyttivät tutkimuksessaan van der Waals (vdW) atomisesti ohuiden 2D-kerrosten kokoonpano erittäin korkean lämmönkestävyyden saavuttamiseksi koko niiden heterorakenteessa.
Van der Waalsin joukot* — molekyylien/atomien väliset vuorovaikutusvoimat, joiden energia on 10-20 kJ/mol.
Uusi tekniikka mahdollisti 2 nm paksuisen vdW-heterorakenteen lämpöresistanssin saamisen, joka on verrattavissa 2 nm:n paksuiseen SiO300 (piidioksidi) -kerrokseen.
Lisäksi vdW-heterorakenteiden käyttö on mahdollistanut lämpöominaisuuksien hallinnan atomitasolla kerrostamalla heterogeenisia XNUMXD-yksikerroksia, joilla on erilaiset atomimassatiheydet ja värähtelymuodot.
Älkäämme siis vetäkö kissan viiksista, vaan aletaan pohtimaan tämän hämmästyttävän tutkimuksen tuloksia.
Tutkimuksen tulokset
Ensinnäkin tutustutaan tässä tutkimuksessa käytettyjen vdW-heterorakenteiden mikrorakenteisiin ja optisiin ominaisuuksiin.
Kuva #1
Kuvan päällä 1a esittää poikkileikkauskaavion nelikerroksisesta heterorakenteesta, joka koostuu (ylhäältä alas): grafeenista (Gr), MoSe2:sta, MoS2:sta, WSe22:sta ja SiO2/Si-substraatista. Jos haluat skannata kaikki tasot samanaikaisesti, käytä Raman laser* aallonpituudella 532 nm.
Raman laser* - lasertyyppi, jossa valon vahvistuksen päämekanismi on Raman-sironta.
Raman-sirontaSe puolestaan on optisen säteilyn joustamatonta sirontaa aineen molekyyleille, johon liittyy merkittävä muutos säteilyn taajuudessa.
Heterorakenteiden mikrorakenteen, lämpö- ja sähköhomogeenisuuden vahvistamiseen käytettiin useita menetelmiä: pyyhkäisytransmissioelektronimikroskooppi (STEM), fotoluminesenssispektroskopia (PL), Kelvin-koettimikroskoopia (KPM), pyyhkäisevä lämpömikroskopia (SThM) sekä Raman-spektroskopia ja lämpömittari.
Изображение 1b näyttää meille Gr/MoSe2/MoS2/WSe22-heterorakenteen Raman-spektrin SiO2/Si-substraatilla punaisella pisteellä merkityssä paikassa. Tämä käyrä näyttää jokaisen yksikerroksen allekirjoituksen kerrostaulukossa sekä Si-substraatin allekirjoituksen.
Päälle 1c-1f Tumman kentän STEM-kuvat Gr/MoSe2/MoS2/WSe22-heterorakenteesta näytetään (1s) ja Gr/MoS2/WSe22 heterorakenteet (1d-1f) eri hilasuuntauksilla. STEM-kuvissa näkyy atomin lähellä olevia vdW-rakoja ilman kontaminaatiota, mikä mahdollistaa näiden heterorakenteiden kokonaispaksuuden olevan täysin näkyvissä. Kerrosten välisen kytkennän olemassaolo varmistettiin myös suurilla skannausalueilla käyttämällä fotoluminesenssispektroskopiaa (PL) (1g). Heterorakenteen sisällä olevien yksittäisten kerrosten fotoluminesenssisignaali on merkittävästi vaimentunut verrattuna eristetyn yksikerroksen signaaliin. Tämä selittyy kerrosten välisellä varauksensiirtoprosessilla, joka johtuu läheisestä kerrosten välisestä vuorovaikutuksesta, joka vahvistuu entisestään hehkutuksen jälkeen.
Kuva #2
Heterorakenteen atomitasoihin nähden kohtisuorassa olevan lämpövirran mittaamiseksi kerrosjoukko rakennettiin neljän anturin sähkölaitteiden muotoon. Grafeenin yläkerros koskettaa palladium (Pd) elektrodeja ja sitä käytetään lämmittimenä Raman-lämpömittauksissa.
Tämä sähkölämmitysmenetelmä antaa tarkan syöttötehon kvantifioinnin. Toinen mahdollinen lämmitysmenetelmä, optinen, olisi vaikeampi toteuttaa yksittäisten kerrosten absorptiokertoimien tietämättömyyden vuoksi.
Päälle 2a näyttää neljän anturin mittauspiirin ja 2b näyttää ylhäältä katsottuna testattavan rakenteen. Ajoittaa 2s näyttää mitatut lämmönsiirtoominaisuudet kolmelle laitteelle, joista yksi sisältää vain grafeenia ja kaksi sisältää Gr/WSe22- ja Gr/MoSe2/WSe22-kerrosryhmiä. Kaikki variantit osoittavat grafeenin ambipolaarista käyttäytymistä, joka liittyy kaistavälin puuttumiseen.
Todettiin myös, että virran johtuminen ja kuumeneminen tapahtuvat ylemmässä kerroksessa (grafeeni), koska sen sähkönjohtavuus on useita suuruusluokkia suurempi kuin MoS2:n ja WSe22:n.
Testattujen laitteiden homogeenisuuden osoittamiseksi mittaukset suoritettiin käyttämällä Kelvin-koettimikroskoopia (KPM) ja pyyhkäisylämpömikroskoopia (SThM). Kaaviossa 2d KPM-mittaukset näytetään, mikä paljastaa lineaarisen potentiaalijakauman. SThM-analyysin tulokset on esitetty kohdassa 2е. Täällä näemme kartan sähköisesti lämmitetyistä Gr/MoS2/WSe22-kanavista sekä pinnan lämmityksen tasaisuuden esiintymisestä.
Yllä kuvatut skannaustekniikat, erityisesti SThM, vahvistivat tutkittavan rakenteen homogeenisuuden eli sen homogeenisuuden lämpötilojen suhteen. Seuraava vaihe oli kvantifioida kunkin ainesosan kerroksen lämpötila käyttämällä Raman-spektroskopiaa (eli Raman-spektroskopiaa).
Kaikki kolme laitetta testattiin, kunkin pinta-alalla ~40 µm2. Tässä tapauksessa lämmittimen teho muuttui 9 mW ja absorboitu laserteho oli alle ~5 μW laserpistealueen ollessa ~0.5 μm2.
Kuva #3
Kaaviossa 3a kunkin kerroksen ja substraatin lämpötilan nousu (∆T) näkyy, kun lämmittimen teho Gr/MoS2/WSe22-heterorakenteessa kasvaa.
Lineaarifunktion kulmat kullekin materiaalille (kerrokselle) osoittavat lämpövastuksen (Rth=∆T/P) yksittäisen kerroksen ja jäähdytyselementin välillä. Koska lämmitys jakautuu tasaisesti alueelle, lämpövastukset voidaan helposti analysoida alhaalta yläkerrokselle, jolloin niiden arvot normalisoidaan kanava-alueella (WL).
L ja W ovat kanavan pituus ja leveys, jotka ovat merkittävästi suurempia kuin SiO2-substraatin paksuus ja lateraalinen lämpölämmityspituus, joka on ~ 0.1 μm.
Siksi voimme johtaa Si-substraatin lämpövastuksen kaavan, joka näyttää tältä:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
Tässä tilanteessa kSi ≈ 90 W m−1 K−1, joka on tällaisen voimakkaasti seostetun substraatin odotettu lämmönjohtavuus.
Ero Rth,WSe2:n ja Rth,Si:n välillä on 2 nm paksun SiO100:n lämpöresistanssin ja WSe2/SiO2-rajapinnan lämpöresistanssin (TBR) summa.
Yhdistämällä kaikki yllä olevat näkökohdat voidaan todeta, että Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2 ja Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Siksi kaaviosta 3a on mahdollista poimia TBR-arvo jokaiselle WSe2/SiO2-, MoS2/WSe2- ja Gr/MoS2-rajapinnalle.
Seuraavaksi tutkijat vertasivat kaikkien heterorakenteiden kokonaislämpövastusta, joka mitattiin Raman-spektroskopialla ja lämpömikroskopialla (3b).
SiO2:n kaksi- ja kolmikerroksiset heterorakenteet osoittivat tehokasta lämmönkestävyyttä alueella 220-280 m2 K/GW huoneenlämpötilassa, mikä vastaa SiO2:n lämpövastusta paksuudella 290-360 nm. Huolimatta siitä, että tutkittavien heterorakenteiden paksuus ei ylitä 2 nm (1d-1f), niiden lämmönjohtavuus on 0.007-0.009 W m−1 K−1 huoneenlämpötilassa.
Kuva #4
Kuvassa 4 on kaikkien neljän rakenteen mittaukset ja niiden rajapintojen lämmönjohtokyky (TBC), jonka avulla voidaan arvioida kunkin kerroksen vaikutusaste aiemmin mitattuun lämpöresistanssiin (TBC = 1 / TBR).
Tutkijat huomauttavat, että tämä on ensimmäinen TBC-mittaus atomisesti läheisille rajapinnoille erillisten yksikerroskerrosten (2D/2D), erityisesti WSe2- ja SiO2-yksikerrosten välillä.
Yksikerroksisen WSe2/SiO2-rajapinnan TBC on alhaisempi kuin monikerroksisen WSe2/SiO2-rajapinnan, mikä ei ole yllättävää, koska yksikerroksisella siirtoon on käytettävissä huomattavasti vähemmän taivutusfononimuotoja. Yksinkertaisesti sanottuna 2D-kerrosten välisen rajapinnan TBC on pienempi kuin 2D-kerroksen ja 3D-SiO2-substraatin välisen rajapinnan TBC (4b).
Jos haluat tutustua tarkemmin tutkimuksen vivahteisiin, suosittelen katsomaan и hänelle.
Epilogi
Tämä tutkimus, kuten tutkijat itse väittävät, antaa meille tietoa, jota voidaan soveltaa atomien lämpörajapintojen toteuttamiseen. Tämä työ osoitti mahdollisuuden luoda lämpöä eristäviä metamateriaaleja, joiden ominaisuuksia ei löydy luonnosta. Lisäksi tutkimus vahvisti myös mahdollisuuden suorittaa tarkkoja lämpötilamittauksia tällaisille rakenteille kerrosten atomimittakaavasta huolimatta.
Yllä kuvatuista heterorakenteista voi muodostua perusta ultrakevyille ja kompakteille lämpö "kilpeille", jotka pystyvät esimerkiksi poistamaan lämpöä elektroniikan kuumista kohdista. Lisäksi tätä tekniikkaa voidaan käyttää lämpösähkögeneraattoreissa tai lämpöohjatuissa laitteissa, mikä lisää niiden suorituskykyä.
Tämä tutkimus vahvistaa jälleen kerran, että nykyaikainen tiede on vakavasti kiinnostunut "tehokkuus sormustimessa" -periaatteesta, jota ei voida kutsua typeräksi ajatukseksi, kun otetaan huomioon planeetan rajalliset resurssit ja kaikenlaisten teknisten innovaatioiden kysynnän jatkuva kasvu.
Kiitos huomiosta, pysykää utelias ja mukavaa viikkoa kaikille! 🙂
Kiitos, että pysyt kanssamme. Pidätkö artikkeleistamme? Haluatko nähdä mielenkiintoisempaa sisältöä? Tue meitä tekemällä tilauksen tai suosittelemalla ystäville, 30 %:n alennus Habr-käyttäjille ainutlaatuisesta lähtötason palvelimien analogista, jonka me keksimme sinulle: (saatavana RAID1:n ja RAID10:n kanssa, jopa 24 ydintä ja jopa 40 Gt DDR4-muistia).
Dell R730xd 2 kertaa halvempi? Vain täällä Alankomaissa! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - alkaen 99 dollaria! Lukea
Lähde: will.com