Moitos xogadores de todo o mundo que viviron a era da Xbox 360 están moi familiarizados coa situación na que a súa consola se converteu nunha tixola na que podían fritir ovos. Unha situación triste semellante ocorre non só coas consolas de xogos, senón tamén con teléfonos, portátiles, tabletas e moito máis. En principio, case calquera dispositivo electrónico pode experimentar un choque térmico, o que pode levar non só ao seu fallo e á molestia do seu propietario, senón tamén ao "mal boom" da batería e a lesións graves. Hoxe coñeceremos un estudo no que científicos da Universidade de Stanford, como Nick Fury dos cómics, crearon un escudo que protexe as pezas electrónicas sensibles á calor do sobrequecemento e, como resultado, evita a súa avaría. Como conseguiron os científicos crear un escudo térmico, cales son os seus principais compoñentes e que tan eficaz é? Coñecemos isto e moito máis co informe do grupo de investigación. Vaia.
Base de investigación
O problema do superenriquecido coñécese desde hai moito tempo e os científicos resolvérono de varias maneiras. Algúns dos máis populares son o uso de vidro, plástico e incluso capas de aire, que serven como unha especie de illantes da radiación térmica. Nas realidades modernas, este método pódese mellorar reducindo o grosor da capa protectora a varios átomos sen perder as súas propiedades de illamento térmico. Iso é exactamente o que fixeron os investigadores.
Estamos, por suposto, a falar de nanomateriais. Non obstante, o seu uso no illamento térmico era anteriormente complicado polo feito de que a lonxitude de onda dos refrixerantes (fonóns*) é significativamente máis curta que a dos electróns ou fotóns.
Teléfono* - unha cuasipartícula, que é un quantum do movemento vibratorio dos átomos de cristal.
Ademais, debido á natureza bosónica dos fonóns, é imposible controlalos por voltaxe (como se fai cos portadores de carga), o que xeralmente dificulta o control da transferencia de calor nos sólidos.
Anteriormente, as propiedades térmicas dos sólidos, como nos lembran os investigadores, controláronse a través de películas de nanolaminados e superredes debido á desorde estrutural e interfaces de alta densidade, ou a través de nanocables de silicio e xermanio debido á forte dispersión de fonóns.
A varios dos métodos de illamento térmico descritos anteriormente, os científicos están preparados con confianza para atribuír materiais bidimensionais, cuxo grosor non supera varios átomos, o que fai que sexan fáciles de controlar a escala atómica. No seu estudo utilizaron van der Waals (vdW) ensamblaxe de capas 2D atómicamente delgadas para conseguir unha resistencia térmica moi elevada en toda a súa heteroestrutura.
Forzas de Van der Waals* — forzas de interacción intermolecular/interatómica cunha enerxía de 10-20 kJ/mol.
A nova técnica permitiu obter resistencia térmica nunha heteroestrutura vdW de 2 nm de espesor comparable á dunha capa de SiO2 (dióxido de silicio) de 300 nm de espesor.
Ademais, o uso de heteroestruturas vdW permitiu controlar as propiedades térmicas a nivel atómico mediante a estratificación de monocapas heteroxéneas XNUMXD con diferentes densidades de masa atómica e modos vibracionais.
Entón, non tiremos dos bigotes do gato e empecemos a considerar os resultados desta sorprendente investigación.
Resultados da investigación
En primeiro lugar, imos familiarizarnos coas características microestruturais e ópticas das heteroestruturas vdW utilizadas neste estudo.
Imaxe #1
Na imaxe 1 mostra un diagrama de sección transversal dunha heteroestrutura de catro capas formada por (de arriba abaixo): grafeno (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 e un substrato SiO2/Si. Para escanear todas as capas á vez, usa láser Raman* cunha lonxitude de onda de 532 nm.
láser Raman* - un tipo de láser no que o principal mecanismo de amplificación da luz é a dispersión Raman.
Dispersión Raman, pola súa banda, é a dispersión inelástica da radiación óptica sobre as moléculas dunha substancia, que vai acompañada dun cambio significativo na frecuencia da radiación.
Utilizáronse varios métodos para confirmar a homoxeneidade microestrutural, térmica e eléctrica das heteroestruturas: microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM), espectroscopia de fotoluminiscencia (PL), microscopía de sonda Kelvin (KPM), microscopía térmica de barrido (SThM), así como espectroscopia Raman e termometría.
Изображение 1b móstranos o espectro Raman dunha heteroestrutura Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 sobre un substrato SiO2/Si no lugar marcado cun punto vermello. Este gráfico mostra a sinatura de cada monocapa na matriz de capas, así como a sinatura do substrato de Si.
En 1c-1f móstranse imaxes STEM de campo escuro da heteroestrutura Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 (1s) e heteroestruturas Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) con diferentes orientacións de celosía. As imaxes STEM mostran lagoas vdW atómicamente próximas sen ningunha contaminación, o que permite que o grosor total destas heteroestruturas sexa totalmente visible. Tamén se confirmou a presenza de acoplamento entre capas en grandes áreas de exploración mediante espectroscopia de fotoluminiscencia (PL).1g). O sinal fotoluminiscente de capas individuais dentro da heteroestrutura suprime significativamente en comparación co sinal dunha monocapa illada. Isto explícase polo proceso de transferencia de carga entre capas debido á estreita interacción entre capas, que se fai aínda máis forte despois do recocido.
Imaxe #2
Para medir o fluxo de calor perpendicular aos planos atómicos da heteroestrutura, a matriz de capas estruturouse en forma de dispositivos eléctricos de catro sondas. A capa superior de grafeno fai contacto con electrodos de paladio (Pd) e úsase como quentador para medicións de termometría Raman.
Este método de calefacción eléctrica proporciona unha cuantificación precisa da potencia de entrada. Outro método de quecemento posible, óptico, sería máis difícil de implementar debido ao descoñecemento dos coeficientes de absorción das capas individuais.
En 2 mostra un circuíto de medida de catro sondas, e 2b mostra unha vista superior da estrutura que se está a probar. Horario 2s mostra as características de transferencia de calor medidas para tres dispositivos, un que contén só grafeno e dous que conteñen matrices de capas Gr/WSe22 e Gr/MoSe2/WSe22. Todas as variantes demostran un comportamento ambipolar do grafeno, que está asociado coa ausencia de bandas intervidas.
Tamén se comprobou que a condución de corrente e o quecemento ocorren na capa superior (grafeno), xa que a súa condutividade eléctrica é varias ordes de magnitude superior á de MoS2 e WSe22.
Para demostrar a homoxeneidade dos dispositivos probados, realizáronse medicións mediante microscopía de sonda Kelvin (KPM) e microscopía térmica de varrido (SThM). No gráfico 2d As medicións KPM móstranse revelando a distribución de potencial lineal. Os resultados da análise SThM móstranse en 2е. Aquí vemos un mapa de canles Gr/MoS2/WSe22 quentados eléctricamente, así como a presenza de uniformidade no quecemento superficial.
As técnicas de exploración descritas anteriormente, en particular SThM, confirmaron a homoxeneidade da estrutura obxecto de estudo, é dicir, a súa homoxeneidade, en termos de temperaturas. O seguinte paso foi cuantificar a temperatura de cada unha das capas constituíntes mediante espectroscopia Raman (é dicir, espectroscopia Raman).
Probáronse os tres dispositivos, cada un cunha área de ~40 µm2. Neste caso, a potencia do quentador cambiou en 9 mW e a potencia do láser absorbida foi inferior a ~ 5 μW cunha área de punto láser de ~ 0.5 μm2.
Imaxe #3
No gráfico 3 un aumento da temperatura (∆T) de cada capa e substrato é visible a medida que aumenta a potencia do quentador na heteroestrutura Gr/MoS2/WSe22.
As pendentes da función lineal para cada material (capa) indican a resistencia térmica (Rth=∆T/P) entre a capa individual e o disipador de calor. Dada a distribución uniforme do quecemento na zona, as resistencias térmicas pódense analizar facilmente desde a capa inferior ata a superior, durante o cal os seus valores se normalizan pola área da canle (WL).
L e W son a lonxitude e ancho da canle, que son significativamente maiores que o espesor do substrato de SiO2 e a lonxitude de quecemento térmico lateral, que é de ~ 0.1 μm.
Polo tanto, podemos derivar a fórmula para a resistencia térmica do substrato de Si, que terá o seguinte aspecto:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
Nesta situación kSi ≈ 90 W m−1 K−1, que é a condutividade térmica esperada dun substrato tan dopado.
A diferenza entre Rth,WSe2 e Rth,Si é a suma da resistencia térmica de SiO2 de 100 nm de espesor e a resistencia de límite térmico (TBR) da interface WSe2/SiO2.
Xuntando todos os aspectos anteriores, podemos establecer que Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2 e Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Polo tanto, a partir da gráfica 3 é posible extraer o valor TBR para cada unha das interfaces WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 e Gr/MoS2.
A continuación, os científicos compararon a resistencia térmica total de todas as heteroestruturas, medida mediante espectroscopia Raman e microscopía térmica (3b).
As heteroestruturas bicapa e tricapa sobre SiO2 mostraron unha resistencia térmica efectiva no intervalo de 220 a 280 m2 K/GW a temperatura ambiente, o que equivale á resistencia térmica do SiO2 cun espesor de 290 a 360 nm. A pesar de que o grosor das heteroestruturas en estudo non supera os 2 nm (1d-1f), a súa condutividade térmica é de 0.007-0.009 W m−1 K−1 a temperatura ambiente.
Imaxe #4
Na imaxe 4 móstranse as medidas das catro estruturas e a condutividade do límite térmico (TBC) das súas interfaces, o que nos permite avaliar o grao de influencia de cada capa sobre a resistencia térmica previamente medida (TBC = 1/TBR).
Os investigadores sinalan que esta é a primeira medición de TBC para interfaces atómicamente próximas entre monocapas separadas (2D/2D), concretamente entre as monocapas de WSe2 e SiO2.
O TBC dunha interface WSe2/SiO2 monocapa é inferior ao dunha interface WSe2/SiO2 multicapa, o que non é sorprendente xa que a monocapa ten un número significativamente menor de modos de fonón de flexión dispoñibles para a transmisión. En pocas palabras, o TBC da interface entre capas 2D é menor que o TBC da interface entre a capa 2D e o substrato de SiO3 2D (4b).
Para un coñecemento máis detallado dos matices do estudo, recoméndolle ollar и a el.
Epílogo
Esta investigación, como afirman os propios científicos, achéganos coñecementos que se poden aplicar na implantación de interfaces térmicas atómicas. Este traballo mostrou a posibilidade de crear metamateriais termoaislantes cuxas propiedades non se atopan na natureza. Ademais, o estudo tamén confirmou a posibilidade de realizar medicións precisas de temperatura deste tipo de estruturas, a pesar da escala atómica das capas.
As heteroestruturas descritas anteriormente poden converterse na base de "escudos" térmicos compactos e ultralixeiros, capaces, por exemplo, de eliminar a calor dos puntos quentes da electrónica. Ademais, esta tecnoloxía pódese utilizar en xeradores termoeléctricos ou dispositivos de control térmico, aumentando o seu rendemento.
Este estudo confirma unha vez máis que a ciencia moderna está seriamente interesada no principio da "eficiencia nun dedal", que non se pode chamar unha idea estúpida, dados os escasos recursos do planeta e o continuo crecemento da demanda de todo tipo de innovacións tecnolóxicas.
Grazas pola vosa atención, manteña a curiosidade e que teñades unha boa semana a todos! 🙂
Grazas por estar connosco. Gústanche os nosos artigos? Queres ver máis contido interesante? Apóyanos facendo un pedido ou recomendando a amigos, Desconto do 30 % para os usuarios de Habr nun análogo único de servidores de nivel de entrada, que inventamos nós para ti: (dispoñible con RAID1 e RAID10, ata 24 núcleos e ata 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 veces máis barato? Só aquí nos Países Baixos! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - desde $ 99! Ler sobre
Fonte: www.habr.com