In protte gamers om 'e wrâld dy't it Xbox 360-tiidrek belibbe binne tige bekend mei de situaasje doe't har konsole feroare yn in frettenpanne wêrop se aaien koenen fry. In ferlykbere tryste situaasje komt net allinnich foar mei spielkonsoles, mar ek mei tillefoans, laptops, tablets en folle mear. Yn prinsipe, hast alle elektroanyske apparaat kin belibje termyske skok, dat kin liede net allinnich ta syn mislearjen en oerstjoer fan syn eigener, mar ek ta de "minne boom" batterij en serieuze blessuere. Hjoed sille wy yn 'e kunde komme mei in stúdzje wêryn wittenskippers fan' e Stanford University, lykas Nick Fury fan 'e strips, in skyld makke hawwe dat waarmgefoelige elektroanyske dielen beskermet fan oververhitting en, as gefolch, har ôfbraak foarkomt. Hoe hawwe wittenskippers it slagge om in thermysk skyld te meitsjen, wat binne har haadkomponinten en hoe effektyf is it? Dat en mear leare wy út it rapport fan de ûndersyksgroep. Gean.
Undersyk basis
It probleem fan oververhitting is bekend foar in hiel lange tiid, en wittenskippers oplosse it op in ferskaat oan manieren. Guon fan 'e populêrste binne it gebrûk fan glês, plastyk en sels loftlagen, dy't as in soarte fan isolatoaren fan termyske strieling tsjinje. Yn moderne realiteiten kin dizze metoade wurde ferbettere troch de dikte fan 'e beskermjende laach te ferminderjen nei ferskate atomen sûnder har thermyske isolaasje-eigenskippen te ferliezen. Dat hawwe de ûndersikers krekt dien.
Wy hawwe it fansels oer nanomaterialen. Lykwols, harren gebrûk yn termyske isolaasje waard earder komplisearre troch it feit dat de golflingte fan coolants (fononen*) is signifikant koarter as dy fan elektroanen of fotonen.
Phonon* - in quasiparticle, dat is in kwantum fan 'e trillingsbeweging fan kristalatomen.
Dêrnjonken is it, troch it bosonyske karakter fan fononen, ûnmooglik om se te kontrolearjen troch spanning (lykas dat dien wurdt mei ladingsdragers), wat it oer it algemien dreech makket om de waarmte-oerdracht yn fêste stoffen te kontrolearjen.
Eartiids waarden de thermyske eigenskippen fan fêste stoffen, lykas ûndersikers ús herinnerje, kontrolearre troch nanolaminaatfilms en superlattices fanwegen strukturele steuring en ynterfaces mei hege tichtheid, of troch silisium en germanium nanowires fanwege sterke fonon-ferstruit.
Oan in oantal hjirboppe beskreaune metoaden foar thermyske isolaasje binne wittenskippers fol fertrouwen ree om twadiminsjonale materialen ta te skriuwen, wêrfan de dikte net mear as ferskate atomen is, wêrtroch se maklik te kontrolearjen binne op atomêre skaal. Yn harren stúdzje brûkten se van der Waals (vdW) gearstalling fan atomysk tinne 2D-lagen om heul hege thermyske ferset te berikken yn har heterostruktuer.
Van der Waals krêften* - intermolekulêre / ynteratomyske ynteraksjekrêften mei in enerzjy fan 10-20 kJ / mol.
De nije technyk makke it mooglik om termyske wjerstân te krijen yn in vdW-heterostruktuer mei in dikte fan 2 nm, te fergelykjen mei dy yn in laach SiO2 (siliciumdioxide) mei in dikte fan 300 nm.
Dêrnjonken hat it gebrûk fan vdW-heterostruktueren it mooglik makke om kontrôle te krijen oer thermyske eigenskippen op atoomnivo troch it lagen fan heterogene XNUMXD-monolagen mei ferskate atoommassadichtheden en trillingsmodi.
Dat, lit ús de whiskers fan 'e kat net lûke en litte wy de resultaten fan dit geweldige ûndersyk begjinne te beskôgjen.
Undersyksresultaten
Lit ús earst yn 'e kunde komme mei de mikrostrukturele en optyske skaaimerken fan' e vdW-heterostruktueren dy't yn dizze stúdzje brûkt wurde.
Ofbylding #1
Op it byld 1 toant in trochsneeddiagram fan in fjouwer-laach heterostruktuer besteande út (fan boppe nei ûnderen): grafene (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 en in SiO2 / Si substraat. Om alle lagen tagelyk te scannen, brûk Raman laser* mei in golflingte fan 532 nm.
Raman laser* - in soarte fan laser wêryn it haadmeganisme fan ljochtfersterking Raman-ferstruit is.
Raman ferstruit, op syn beurt, is de ynelastyske fersprieding fan optyske strieling op 'e molekulen fan in stof, dy't begelaat wurdt troch in signifikante feroaring yn' e frekwinsje fan 'e strieling.
Ferskate metoaden waarden brûkt om de mikrostrukturele, thermyske en elektryske homogeniteit fan heterostruktueren te befêstigjen: skennen transmissieelektronenmikroskopy (STEM), fotolumineszensjespektroskopy (PL), Kelvin-probemikroskopy (KPM), skennende thermyske mikroskopy (SThM), lykas Raman-spektroskopy en termometry.
Ofbylding 1b lit ús it Raman-spektrum sjen fan in Gr/MoSe2/MoS2/WSe22-heterostruktuer op in SiO2/Si-substraat op de lokaasje markearre mei in reade stip. Dit plot toant de hantekening fan elke monolaach yn 'e laach array, lykas de hantekening fan it Si-substraat.
op 1c-1f dark-field STEM-ôfbyldings fan de Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 heterostruktuer wurde werjûn (1s) en Gr/MoS2/WSe22 heterostruktueren (1d-1f) mei ferskillende lattice oriïntaasjes. STEM-ôfbyldings litte atomysk ticht vdW-gapen sjen sûnder fersmoarging, wêrtroch de totale dikte fan dizze heterostruktueren folslein sichtber is. De oanwêzigens fan interlayer coupling waard ek befêstige oer grutte skennen gebieten mei help fan photoluminescence (PL) spektroskopy (1g). It fotoluminescent sinjaal fan yndividuele lagen binnen de heterostruktuer wurdt signifikant ûnderdrukt yn ferliking mei it sinjaal fan in isolearre monolayer. Dit wurdt ferklearre troch it proses fan interlayer lading oerdracht fanwege nauwe interlayer ynteraksje, dat wurdt noch sterker nei annealing.
Ofbylding #2
Om de waarmtestream loodrecht op 'e atomêre fleantugen fan' e heterostruktuer te mjitten, waard de array fan lagen strukturearre yn 'e foarm fan fjouwer-probe elektryske apparaten. De boppeste laach fan grafeen komt yn kontakt mei palladium (Pd) elektroden en wurdt brûkt as in kachel foar Raman thermometry mjittingen.
Dizze metoade foar elektryske ferwaarming leveret krekte kwantifikaasje fan ynfierkrêft. In oare mooglike ferwaarming metoade, optysk, soe wêze lestiger te fieren fanwege ûnwittendheid fan de absorption koëffisjinten fan yndividuele lagen.
op 2 toant in fjouwer-probe mjitting circuit, en 2b toant in top werjefte fan de struktuer wurdt hifke. Skema 2s toant mjitten waarmte oerdracht skaaimerken foar trije apparaten, ien befettet allinnich graphene en twa mei Gr / WSe22 en Gr / MoSe2 / WSe22 laach arrays. Alle farianten litte ambipolêr gedrach fan grafene sjen, dat is ferbûn mei it ûntbrekken fan in bandgap.
It waard ek fûn dat aktuele conduction en ferwaarming foarkomme yn 'e boppeste laach (grafeen), sûnt syn elektryske conductivity is ferskate oarders fan grutte heger as dy fan MoS2 en WSe22.
Om de homogeniteit fan 'e hifke apparaten te demonstrearjen, waarden mjittingen nommen mei help fan Kelvin probemikroskopie (KPM) en skennende thermyske mikroskopy (SThM). Op de kaart 2d KPM-mjittingen wurde werjûn dy't de lineêre potinsjele distribúsje sjen litte. De resultaten fan 'e SThM-analyse wurde werjûn yn 2s. Hjir sjogge wy in kaart fan elektrysk ferwaarme Gr / MoS2 / WSe22 kanalen, en ek de oanwêzigens fan uniformiteit yn oerflak ferwaarming.
De hjirboppe beskreaune skennentechniken, benammen SThM, befêstige de homogeniteit fan 'e ûndersochte struktuer, dat is har homogeniteit, yn termen fan temperatueren. De folgjende stap wie om de temperatuer fan elk fan 'e gearstallende lagen te kwantifisearjen mei Raman-spektroskopy (dus Raman-spektroskopy).
Alle trije apparaten waarden hifke, elk mei in gebiet fan ~40 µm2. Yn dit gefal feroare de kachelkrêft mei 9 mW, en de opnomde laserkrêft wie ûnder ~5 μW mei in laserspotgebiet fan ~0.5 μm2.
Ofbylding #3
Op de kaart 3 in ferheging fan temperatuer (∆T) fan elke laach en substraat is sichtber as de kachelkrêft yn 'e Gr / MoS2 / WSe22 heterostruktuer ferheget.
De hellingen fan 'e lineêre funksje foar elk materiaal (laach) jouwe de termyske wjerstân (Rth = ∆T / P) oan tusken de yndividuele laach en de heatsink. Sjoen de unifoarme ferdieling fan ferwaarming oer it gebiet, kinne thermyske wjerstannen maklik wurde analysearre fan 'e ûnderkant nei de boppeste laach, wêryn har wearden wurde normalisearre troch it kanaalgebiet (WL).
L en W binne de kanaal lingte en breedte, dy't signifikant grutter binne as de dikte fan it SiO2 substraat en de laterale termyske ferwaarming lingte, dat is ~ 0.1 μm.
Dêrom kinne wy de formule ôfliede foar de termyske wjerstân fan it Si-substraat, dat der sa útsjen sil:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
Yn dizze situaasje kSi ≈ 90 W m−1 K−1, dat is de ferwachte termyske konduktiviteit fan sa'n tige doped substraat.
It ferskil tusken Rth,WSe2 en Rth,Si is de som fan de termyske wjerstân fan 2 nm dik SiO100 en de termyske grinsresistinsje (TBR) fan de WSe2/SiO2 ynterface.
Troch alle boppesteande aspekten byinoar te setten, kinne wy konstatearje dat Rth,MoS2 - Rth, WSe2 = TBRMoS2/WSe2, en Rth,Gr - Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Dêrom, út de grafyk 3 it is mooglik om de TBR-wearde foar elk fan 'e WSe2/SiO2-, MoS2/WSe2- en Gr/MoS2-ynterfaces te ekstrahearjen.
Dêrnei fergelike de wittenskippers de totale termyske wjerstân fan alle heterostruktueren, mjitten mei Raman-spektroskopie en termyske mikroskopy (3b).
Bilayer en trilayer heterostruktueren op SiO2 eksposearre effektive termyske wjerstân yn it berik fan 220 oant 280 m2 K / GW by keamertemperatuer, wat lykweardich is oan de termyske wjerstân fan SiO2 mei in dikte fan 290 oant 360 nm. Nettsjinsteande it feit dat de dikte fan de ûndersochte heterostruktueren net mear as 2 nm (1d-1f), harren termyske conductivity is 0.007-0.009 W m−1 K−1 by keamertemperatuer.
Ofbylding #4
Ofbylding 4 toant de mjittingen fan alle fjouwer struktueren en de termyske grinskonduktiviteit (TBC) fan har ynterfaces, wêrtroch't wy de mjitte fan ynfloed fan elke laach op 'e earder mjitten thermyske wjerstân (TBC = 1 / TBR) kinne evaluearje.
De ûndersikers merken op dat dit de earste TBC-mjitting is foar atomysk tichte ynterfaces tusken aparte monolagen (2D / 2D), spesifyk tusken WSe2 en SiO2 monolagen.
De TBC fan in monolayer WSe2/SiO2-ynterface is leger as dy fan in multilayer WSe2/SiO2-ynterface, wat net ferrassend is, om't de monolayer signifikant minder bûgde fononmodi beskikber hat foar oerdracht. Simply set, de TBC fan 'e ynterface tusken 2D-lagen is leger as de TBC fan' e ynterface tusken de 2D-laach en it 3D SiO2-substraat (4b).
Foar in mear detaillearre kunde mei de nuânses fan 'e stúdzje, advisearje ik om te sjen и Oan him.
Epilogue
Dit ûndersyk, lykas de wittenskippers sels beweare, jout ús kennis dy't kin wurde tapast yn 'e ymplemintaasje fan atomyske thermyske ynterfaces. Dit wurk toande de mooglikheid fan it meitsjen fan waarmte-isolearjende metamaterialen waans eigenskippen binne net fûn yn de natuer. Dêrnjonken befêstige de stúdzje ek de mooglikheid om sekuere temperatuermjittingen fan sokke struktueren út te fieren, nettsjinsteande de atomêre skaal fan 'e lagen.
De hjirboppe beskreaune heterostruktueren kinne de basis wurde foar ultra-ljochte en kompakte thermyske "skilden", dy't bygelyks by steat binne om waarmte te ferwiderjen fan hot spots yn elektroanika. Derneist kin dizze technology brûkt wurde yn thermo-elektryske generators of thermysk regele apparaten, wêrtroch't har prestaasjes ferheegje.
Dizze stúdzje befêstiget nochris dat moderne wittenskip serieus ynteressearre is yn it prinsipe fan "effisjinsje yn in fingerhoan", dat kin net in dom idee neamd wurde, sjoen de beheinde middels fan 'e planeet en de trochgeande groei yn fraach nei alle soarten technologyske ynnovaasjes.
Tankewol foar jo oandacht, bliuw nijsgjirrich en in geweldige wike allegear! 🙂
Tankewol foar it bliuwen by ús. Hâld jo fan ús artikels? Wolle jo mear ynteressante ynhâld sjen? Stypje ús troch in bestelling te pleatsen of oan te befeljen oan freonen, 30% koarting foar Habr-brûkers op in unike analoog fan servers op yngongsnivo, dy't troch ús foar jo útfûn is: (beskikber mei RAID1 en RAID10, oant 24 kearnen en oant 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kear goedkeaper? Allinne hjir yn Nederlân! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fan $99! Lêze oer
Boarne: www.habr.com