De nombreux joueurs du monde entier qui ont connu l'ère Xbox 360 connaissent très bien la situation où leur console s'est transformée en une poêle à frire sur laquelle ils pouvaient faire frire des œufs. Une triste situation similaire se produit non seulement avec les consoles de jeux, mais également avec les téléphones, les ordinateurs portables, les tablettes et bien plus encore. En principe, presque tous les appareils électroniques peuvent subir un choc thermique, ce qui peut entraîner non seulement sa panne et le bouleversement de son propriétaire, mais également le « mauvais boom » de la batterie et des blessures graves. Aujourd'hui, nous ferons connaissance avec une étude dans laquelle des scientifiques de l'Université de Stanford, comme Nick Fury dans les bandes dessinées, ont créé un bouclier qui protège les composants électroniques sensibles à la chaleur de la surchauffe et, par conséquent, empêche leur panne. Comment les scientifiques ont-ils réussi à créer un bouclier thermique, quels sont ses principaux composants et quelle est son efficacité ? Nous en apprenons davantage grâce au rapport du groupe de recherche. Aller.
Base de recherche
Le problème de la surchauffe est connu depuis très longtemps et les scientifiques le résolvent de diverses manières. Parmi les plus populaires figurent l'utilisation de verre, de plastique et même de couches d'air, qui servent en quelque sorte d'isolants du rayonnement thermique. Dans les réalités modernes, cette méthode peut être améliorée en réduisant l'épaisseur de la couche protectrice à plusieurs atomes sans perdre ses propriétés d'isolation thermique. C'est exactement ce que les chercheurs ont fait.
Nous parlons bien sûr de nanomatériaux. Cependant, leur utilisation en isolation thermique était auparavant compliquée par le fait que la longueur d'onde des liquides de refroidissement (phonons*) est nettement plus courte que celle des électrons ou des photons.
Phonon* - une quasiparticule, qui est un quantum du mouvement vibrationnel des atomes cristallins.
De plus, en raison de la nature bosonique des phonons, il est impossible de les contrôler par tension (comme cela se fait avec les porteurs de charge), ce qui rend généralement difficile le contrôle du transfert de chaleur dans les solides.
Auparavant, les propriétés thermiques des solides, comme nous le rappellent les chercheurs, étaient contrôlées par des films nanolaminés et des super-réseaux en raison de désordres structurels et d'interfaces à haute densité, ou par des nanofils de silicium et de germanium en raison d'une forte diffusion de phonons.
À un certain nombre de méthodes d'isolation thermique décrites ci-dessus, les scientifiques sont prêts à attribuer avec confiance des matériaux bidimensionnels dont l'épaisseur ne dépasse pas plusieurs atomes, ce qui les rend faciles à contrôler à l'échelle atomique. Dans leur étude, ils ont utilisé van der Waals (vdW) assemblage de couches 2D atomiquement minces pour obtenir une très haute résistance thermique dans toute leur hétérostructure.
Forces de Van der Waals* — forces d'interaction intermoléculaire/interatomique d'une énergie de 10-20 kJ/mol.
La nouvelle technique a permis d'obtenir une résistance thermique dans une hétérostructure vdW de 2 nm d'épaisseur comparable à celle d'une couche de SiO2 (dioxyde de silicium) de 300 nm d'épaisseur.
De plus, l’utilisation d’hétérostructures vdW a permis de contrôler les propriétés thermiques au niveau atomique grâce à la superposition de monocouches XNUMXD hétérogènes avec différentes densités de masse atomique et modes de vibration.
Alors, n’arrachons pas les moustaches du chat et commençons à considérer les résultats de cette étonnante recherche.
Résultats de l'étude
Tout d’abord, familiarisons-nous avec les caractéristiques microstructurales et optiques des hétérostructures vdW utilisées dans cette étude.
Image #1
Sur l'image 1a montre un diagramme en coupe transversale d'une hétérostructure à quatre couches composée (de haut en bas) : de graphène (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 et un substrat SiO2/Si. Pour numériser tous les calques simultanément, utilisez Laser Raman* avec une longueur d'onde de 532 nm.
Laser Raman* - un type de laser dans lequel le principal mécanisme d'amplification de la lumière est la diffusion Raman.
diffusion Raman, à son tour, est la diffusion inélastique du rayonnement optique sur les molécules d'une substance, qui s'accompagne d'un changement significatif dans la fréquence du rayonnement.
Plusieurs méthodes ont été utilisées pour confirmer l'homogénéité microstructurale, thermique et électrique des hétérostructures : microscopie électronique à transmission par balayage (STEM), spectroscopie de photoluminescence (PL), microscopie à sonde Kelvin (KPM), microscopie thermique à balayage (SThM), ainsi que spectroscopie Raman et thermométrie .
Изображение 1b nous montre le spectre Raman d'une hétérostructure Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 sur un substrat SiO2/Si à l'emplacement marqué d'un point rouge. Ce tracé montre la signature de chaque monocouche du réseau de couches, ainsi que la signature du substrat Si.
Sur 1c-1f des images STEM en fond noir de l'hétérostructure Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 sont présentées (1с) et les hétérostructures Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) avec différentes orientations de réseau. Les images STEM montrent des espaces vdW atomiquement proches sans aucune contamination, permettant à l'épaisseur globale de ces hétérostructures d'être entièrement visible. La présence d'un couplage intercouche a également été confirmée sur de grandes zones de numérisation par spectroscopie de photoluminescence (PL) (1g). Le signal photoluminescent des couches individuelles à l’intérieur de l’hétérostructure est considérablement supprimé par rapport au signal d’une monocouche isolée. Cela s'explique par le processus de transfert de charge entre les couches dû à une interaction étroite entre les couches, qui devient encore plus forte après le recuit.
Image #2
Afin de mesurer le flux thermique perpendiculaire aux plans atomiques de l’hétérostructure, le réseau de couches a été structuré sous la forme de dispositifs électriques à quatre sondes. La couche supérieure de graphène entre en contact avec les électrodes de palladium (Pd) et est utilisée comme élément chauffant pour les mesures de thermométrie Raman.
Cette méthode de chauffage électrique fournit une quantification précise de la puissance d’entrée. Une autre méthode de chauffage possible, optique, serait plus difficile à mettre en œuvre en raison de la méconnaissance des coefficients d'absorption des couches individuelles.
Sur 2a montre un circuit de mesure à quatre sondes, et 2b montre une vue de dessus de la structure testée. Calendrier 2с montre les caractéristiques de transfert de chaleur mesurées de trois appareils, un contenant uniquement du graphène et deux contenant des réseaux de couches Gr/WSe22 et Gr/MoSe2/WSe22. Toutes les variantes démontrent un comportement ambipolaire du graphène, associé à l'absence de bande interdite.
Il a également été constaté que la conduction du courant et le chauffage se produisent dans la couche supérieure (dans le graphène), puisque sa conductivité électrique est plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle du MoS2 et du WSe22.
Pour démontrer l'homogénéité des dispositifs testés, des mesures ont été effectuées par microscopie à sonde Kelvin (KPM) et par microscopie thermique à balayage (SThM). Sur la carte 2d Les mesures KPM sont affichées révélant la distribution de potentiel linéaire. Les résultats de l'analyse SThM sont présentés dans 2e. Nous voyons ici une carte des canaux Gr/MoS2/WSe22 chauffés électriquement, ainsi que la présence d'uniformité dans le chauffage de surface.
Les techniques de balayage décrites ci-dessus, notamment SThM, ont confirmé l'homogénéité de la structure étudiée, c'est-à-dire son homogénéité en termes de températures. L'étape suivante consistait à quantifier la température de chacune des couches constitutives à l'aide de la spectroscopie Raman (c'est-à-dire la spectroscopie Raman).
Les trois appareils ont été testés, chacun avec une superficie d'environ 40 µm2. Dans ce cas, la puissance de chauffage a changé de 9 mW et la puissance laser absorbée était inférieure à ~ 5 μW avec une zone de spot laser d'environ 0.5 μm2.
Image #3
Sur le graphique 3a une augmentation de la température (∆T) de chaque couche et substrat est visible à mesure que la puissance de chauffage dans l'hétérostructure Gr/MoS2/WSe22 augmente.
Les pentes de la fonction linéaire pour chaque matériau (couche) indiquent la résistance thermique (Rth=∆T/P) entre la couche individuelle et le dissipateur thermique. Compte tenu de la répartition uniforme du chauffage sur la surface, les résistances thermiques peuvent être facilement analysées de la couche inférieure à la couche supérieure, au cours de laquelle leurs valeurs sont normalisées par la surface du canal (WL).
L et W sont la longueur et la largeur du canal, qui sont nettement supérieures à l'épaisseur du substrat SiO2 et à la longueur de chauffage thermique latéral, qui est d'environ 0.1 µm.
Par conséquent, nous pouvons dériver la formule de la résistance thermique du substrat en Si, qui ressemblera à ceci :
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
Dans cette situation kSi ≈ 90 W m−1 K−1, qui est la conductivité thermique attendue d'un substrat aussi hautement dopé.
La différence entre Rth,WSe2 et Rth,Si est la somme de la résistance thermique du SiO2 de 100 nm d'épaisseur et de la résistance limite thermique (TBR) de l'interface WSe2/SiO2.
En mettant tous les aspects ci-dessus ensemble, nous pouvons établir que Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, et Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Par conséquent, d’après le graphique 3a il est possible d'extraire la valeur TBR pour chacune des interfaces WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 et Gr/MoS2.
Ensuite, les scientifiques ont comparé la résistance thermique totale de toutes les hétérostructures, mesurée par spectroscopie Raman et microscopie thermique (3b).
Les hétérostructures bicouches et tricouches sur SiO2 présentaient une résistance thermique efficace comprise entre 220 et 280 m2 K/GW à température ambiante, ce qui équivaut à la résistance thermique du SiO2 d'une épaisseur de 290 à 360 nm. Malgré le fait que l'épaisseur des hétérostructures étudiées ne dépasse pas 2 nm (1d-1f), leur conductivité thermique est de 0.007-0.009 W m−1 K−1 à température ambiante.
Image #4
L'image 4 montre les mesures des quatre structures et la conductivité thermique limite (TBC) de leurs interfaces, ce qui nous permet d'évaluer le degré d'influence de chaque couche sur la résistance thermique précédemment mesurée (TBC = 1 / TBR).
Les chercheurs notent qu’il s’agit de la toute première mesure TBC pour les interfaces atomiquement proches entre monocouches distinctes (2D/2D), en particulier entre les monocouches WSe2 et SiO2.
Le TBC d'une interface WSe2/SiO2 monocouche est inférieur à celui d'une interface WSe2/SiO2 multicouche, ce qui n'est pas surprenant puisque la monocouche a beaucoup moins de modes de phonons de courbure disponibles pour la transmission. En termes simples, le TBC de l'interface entre les couches 2D est inférieur au TBC de l'interface entre la couche 2D et le substrat SiO3 2D (4b).
Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je recommande de regarder и pour lui.
Le final
Ces recherches, comme le prétendent les scientifiques eux-mêmes, nous apportent des connaissances qui peuvent être appliquées à la mise en œuvre d'interfaces thermiques atomiques. Ces travaux ont montré la possibilité de créer des métamatériaux calorifuges dont les propriétés ne se retrouvent pas dans la nature. De plus, l’étude a également confirmé la possibilité d’effectuer des mesures précises de température de telles structures, malgré l’échelle atomique des couches.
Les hétérostructures décrites ci-dessus peuvent devenir la base de « boucliers » thermiques ultra-légers et compacts, capables, par exemple, d'évacuer la chaleur des points chauds de l'électronique. De plus, cette technologie peut être utilisée dans des générateurs thermoélectriques ou des appareils à contrôle thermique, augmentant ainsi leurs performances.
Cette étude confirme une fois de plus que la science moderne s'intéresse sérieusement au principe de « l'efficacité en un dé à coudre », ce qui ne peut pas être qualifié d'idée stupide, compte tenu des ressources limitées de la planète et de la croissance continue de la demande pour toutes sortes d'innovations technologiques.
Merci de votre attention, restez curieux et bonne semaine à tous ! 🙂
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Source: habr.com