જો તમારી પાસે લેપટોપ હોય તો હીટિંગ પેડ શા માટે: અણુ સ્તરે થર્મલ પ્રતિકારનો અભ્યાસ

વિશ્વભરના ઘણા રમનારાઓ જેમણે Xbox 360 યુગનો અનુભવ કર્યો છે તે પરિસ્થિતિથી ખૂબ જ પરિચિત છે જ્યારે તેમનો કન્સોલ ફ્રાઈંગ પેનમાં ફેરવાઈ ગયો હતો જેના પર તેઓ ઇંડા ફ્રાય કરી શકતા હતા. સમાન ઉદાસી પરિસ્થિતિ ફક્ત ગેમ કન્સોલ સાથે જ નહીં, પણ ફોન, લેપટોપ, ટેબ્લેટ્સ અને ઘણું બધું સાથે પણ થાય છે. સૈદ્ધાંતિક રીતે, લગભગ કોઈપણ ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણ થર્મલ આંચકો અનુભવી શકે છે, જે ફક્ત તેની નિષ્ફળતા અને તેના માલિકની અસ્વસ્થતા તરફ દોરી શકે છે, પણ બેટરીની "ખરાબ તેજી" અને ગંભીર ઇજા તરફ દોરી શકે છે. આજે આપણે એવા અભ્યાસથી પરિચિત થઈશું જેમાં કોમિક્સના નિક ફ્યુરીની જેમ સ્ટેનફોર્ડ યુનિવર્સિટીના વૈજ્ઞાનિકોએ એક કવચ બનાવ્યું છે જે ગરમી-સંવેદનશીલ ઇલેક્ટ્રોનિક ભાગોને વધુ ગરમ થવાથી બચાવે છે અને પરિણામે, તેમના ભંગાણને અટકાવે છે. વૈજ્ઞાનિકોએ થર્મલ કવચ બનાવવાનું કેવી રીતે મેનેજ કર્યું, તેના મુખ્ય ઘટકો શું છે અને તે કેટલું અસરકારક છે? અમે સંશોધન જૂથના અહેવાલમાંથી આ વિશે અને વધુ શીખીએ છીએ. જાઓ.

સંશોધનનો આધાર

ઓવરહિટીંગની સમસ્યા ખૂબ લાંબા સમયથી જાણીતી છે, અને વૈજ્ઞાનિકો તેને વિવિધ રીતે હલ કરે છે. સૌથી વધુ લોકપ્રિય છે કાચ, પ્લાસ્ટિક અને હવાના સ્તરોનો ઉપયોગ, જે થર્મલ રેડિયેશનના એક પ્રકારનું ઇન્સ્યુલેટર તરીકે સેવા આપે છે. આધુનિક વાસ્તવિકતાઓમાં, આ પદ્ધતિ તેના થર્મલ ઇન્સ્યુલેશન ગુણધર્મોને ગુમાવ્યા વિના રક્ષણાત્મક સ્તરની જાડાઈને ઘણા અણુઓ સુધી ઘટાડીને સુધારી શકાય છે. સંશોધકોએ બરાબર એવું જ કર્યું.

અમે, અલબત્ત, નેનોમટેરિયલ્સ વિશે વાત કરી રહ્યા છીએ. જો કે, થર્મલ ઇન્સ્યુલેશનમાં તેમનો ઉપયોગ અગાઉ એ હકીકત દ્વારા જટિલ હતો કે શીતકની તરંગલંબાઇ (ફોનોન્સ*) ઇલેક્ટ્રોન અથવા ફોટોન કરતા નોંધપાત્ર રીતે ટૂંકા હોય છે.

ફોનોન* - એક ક્વાસિપાર્ટિકલ, જે સ્ફટિક અણુઓની કંપન ગતિનું પ્રમાણ છે.

વધુમાં, ફોનોનની બોસોનિક પ્રકૃતિને લીધે, વોલ્ટેજ દ્વારા તેને નિયંત્રિત કરવું અશક્ય છે (જેમ કે ચાર્જ કેરિયર્સ સાથે થાય છે), જે સામાન્ય રીતે ઘન પદાર્થોમાં ગરમીના સ્થાનાંતરણને નિયંત્રિત કરવાનું મુશ્કેલ બનાવે છે.

અગાઉ, ઘન પદાર્થોના થર્મલ ગુણધર્મો, જેમ કે સંશોધકો અમને યાદ કરાવે છે, માળખાકીય અવ્યવસ્થા અને ઉચ્ચ ઘનતા ઇન્ટરફેસને કારણે, અથવા મજબૂત ફોનોન સ્કેટરિંગને કારણે સિલિકોન અને જર્મેનિયમ નેનોવાયર્સ દ્વારા નેનોલામિનેટ ફિલ્મો અને સુપરલેટીસ દ્વારા નિયંત્રિત કરવામાં આવતા હતા.

ઉપર વર્ણવેલ સંખ્યાબંધ થર્મલ ઇન્સ્યુલેશન પદ્ધતિઓ માટે, વૈજ્ઞાનિકો વિશ્વાસપૂર્વક દ્વિ-પરિમાણીય સામગ્રીને એટ્રિબ્યુટ કરવા માટે તૈયાર છે, જેની જાડાઈ ઘણા અણુઓ કરતાં વધી નથી, જે તેમને અણુ સ્કેલ પર નિયંત્રિત કરવાનું સરળ બનાવે છે. તેમના અભ્યાસમાં તેઓએ ઉપયોગ કર્યો વાન ડેર વાલ્સ (vdW) પરમાણુ પાતળા 2D સ્તરોની એસેમ્બલી તેમના સમગ્ર વિજાતીય માળખામાં ખૂબ જ ઉચ્ચ થર્મલ પ્રતિકાર પ્રાપ્ત કરવા માટે.

વેન ડેર વાલ્સ દળો* — 10-20 kJ/mol ની ઊર્જા સાથે આંતરપરમાણુ/અન્તરપરમાણુ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા દળો.

નવી તકનીકે 2 nm જાડા SiO2 (સિલિકોન ડાયોક્સાઇડ) સ્તરની તુલનામાં 300 nm જાડા vdW હેટરોસ્ટ્રક્ચરમાં થર્મલ પ્રતિકાર મેળવવાનું શક્ય બનાવ્યું.

આ ઉપરાંત, vdW હેટરોસ્ટ્રક્ચર્સના ઉપયોગથી વિવિધ અણુ સમૂહ ઘનતા અને વાઇબ્રેશનલ મોડ્સ સાથે વિજાતીય XNUMXD મોનોલેયરના સ્તરીકરણ દ્વારા અણુ સ્તરે થર્મલ ગુણધર્મો પર નિયંત્રણ મેળવવાનું શક્ય બન્યું છે.

તેથી, ચાલો બિલાડીની મૂછો ન ખેંચીએ અને આ અદ્ભુત સંશોધનના પરિણામોને ધ્યાનમાં લેવાનું શરૂ કરીએ.

સંશોધન પરિણામો

સૌ પ્રથમ, ચાલો આ અભ્યાસમાં વપરાતા vdW હેટરોસ્ટ્રક્ચર્સની માઇક્રોસ્ટ્રક્ચરલ અને ઓપ્ટિકલ લાક્ષણિકતાઓથી પરિચિત થઈએ.

છબી #1

છબી પર 1 (ઉપરથી નીચે સુધી): ગ્રાફીન (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 અને SiO2/Si સબસ્ટ્રેટ ધરાવતા ચાર-સ્તરના હેટરોસ્ટ્રક્ચરનો ક્રોસ-સેક્શનલ ડાયાગ્રામ બતાવે છે. એકસાથે તમામ સ્તરોને સ્કેન કરવા માટે, ઉપયોગ કરો રમન લેસર* 532 એનએમની તરંગલંબાઇ સાથે.

રમન લેસર* - લેસરનો એક પ્રકાર જેમાં પ્રકાશ એમ્પ્લીફિકેશનની મુખ્ય પદ્ધતિ રામન સ્કેટરિંગ છે.

રમણ વેરવિખેર, બદલામાં, પદાર્થના પરમાણુઓ પર ઓપ્ટિકલ રેડિયેશનનું અસ્થિર સ્કેટરિંગ છે, જે રેડિયેશનની આવર્તનમાં નોંધપાત્ર ફેરફાર સાથે છે.

હેટરોસ્ટ્રક્ચર્સની માઇક્રોસ્ટ્રક્ચરલ, થર્મલ અને ઇલેક્ટ્રિકલ એકરૂપતાની પુષ્ટિ કરવા માટે ઘણી પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો: સ્કેનિંગ ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (STEM), ફોટોલ્યુમિનેસેન્સ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (PL), કેલ્વિન પ્રોબ માઇક્રોસ્કોપી (KPM), થર્મલ માઇક્રોસ્કોપી (SThM), તેમજ રમન અને સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી. થર્મોમેટ્રી

છબી છબી 1b લાલ બિંદુથી ચિહ્નિત સ્થાન પર SiO2/Si સબસ્ટ્રેટ પર Gr/MoSe2/MoS22/WSe2 હેટરોસ્ટ્રક્ચરનું રમન સ્પેક્ટ્રમ અમને બતાવે છે. આ પ્લોટ લેયર એરેમાં દરેક મોનોલેયરની સહી તેમજ Si સબસ્ટ્રેટની સહી દર્શાવે છે.

માં 1c-1f Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 હેટરોસ્ટ્રક્ચરની ડાર્ક-ફિલ્ડ STEM છબીઓ બતાવવામાં આવી છે (1c) અને Gr/MoS2/WSe22 હેટરોસ્ટ્રક્ચર્સ (1d-1f) વિવિધ જાળીના અભિગમ સાથે. STEM છબીઓ કોઈપણ દૂષિતતા વિના પરમાણુ રીતે બંધ vdW ગાબડા દર્શાવે છે, આ હેટરોસ્ટ્રક્ચર્સની એકંદર જાડાઈને સંપૂર્ણપણે દૃશ્યમાન થવા દે છે. ફોટોલુમિનેસેન્સ (PL) સ્પેક્ટ્રોસ્કોપીનો ઉપયોગ કરીને મોટા સ્કેનિંગ વિસ્તારોમાં ઇન્ટરલેયર કપ્લીંગની હાજરીની પણ પુષ્ટિ કરવામાં આવી હતી.1g). હેટરોસ્ટ્રક્ચરની અંદરના વ્યક્તિગત સ્તરોના ફોટોલ્યુમિનેસેન્ટ સિગ્નલને એક અલગ મોનોલેયરના સિગ્નલની તુલનામાં નોંધપાત્ર રીતે દબાવવામાં આવે છે. નજીકના ઇન્ટરલેયર ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને કારણે ઇન્ટરલેયર ચાર્જ ટ્રાન્સફરની પ્રક્રિયા દ્વારા આ સમજાવવામાં આવે છે, જે એનિલિંગ પછી વધુ મજબૂત બને છે.

છબી #2

હીટરોસ્ટ્રક્ચરના અણુ વિમાનો પર લંબરૂપ ગરમીના પ્રવાહને માપવા માટે, સ્તરોની શ્રેણીને ચાર-પ્રોબ ઇલેક્ટ્રિકલ ઉપકરણોના સ્વરૂપમાં સંરચિત કરવામાં આવી હતી. ગ્રાફીન કોન્ટેક્ટ પેલેડિયમ (Pd) ઈલેક્ટ્રોડ્સનું ટોચનું સ્તર અને રમન થર્મોમેટ્રી માપન માટે હીટર તરીકે ઉપયોગમાં લેવાય છે.

આ વિદ્યુત ગરમી પદ્ધતિ ઇનપુટ પાવરનું ચોક્કસ પરિમાણ પ્રદાન કરે છે. અન્ય સંભવિત ગરમી પદ્ધતિ, ઓપ્ટિકલ, વ્યક્તિગત સ્તરોના શોષણ ગુણાંકની અજ્ઞાનતાને કારણે અમલમાં મૂકવી વધુ મુશ્કેલ હશે.

માં 2 ચાર-તપાસ માપન સર્કિટ બતાવે છે, અને 2b ચકાસાયેલ બંધારણનું ટોચનું દૃશ્ય બતાવે છે. અનુસૂચિ 2c ત્રણ ઉપકરણો માટે માપેલ હીટ ટ્રાન્સફર લાક્ષણિકતાઓ બતાવે છે, જેમાં માત્ર ગ્રાફીન હોય છે અને બે Gr/WSe22 અને Gr/MoSe2/WSe22 લેયર એરે ધરાવે છે. તમામ પ્રકારો ગ્રાફીનનું એમ્બિપોલર વર્તન દર્શાવે છે, જે બેન્ડ ગેપની ગેરહાજરી સાથે સંકળાયેલું છે.

એવું પણ જાણવા મળ્યું હતું કે વર્તમાન વહન અને ગરમી ઉપલા સ્તર (ગ્રાફીન) માં થાય છે, કારણ કે તેની વિદ્યુત વાહકતા MoS2 અને WSe22 કરતા વધુ તીવ્રતાના ઘણા ઓર્ડર છે.

પરીક્ષણ કરેલ ઉપકરણોની એકરૂપતા દર્શાવવા માટે, કેલ્વિન પ્રોબ માઇક્રોસ્કોપી (KPM) અને સ્કેનિંગ થર્મલ માઇક્રોસ્કોપી (SThM) નો ઉપયોગ કરીને માપ લેવામાં આવ્યા હતા. ચાર્ટ પર 2d રેખીય સંભવિત વિતરણને દર્શાવતા KPM માપ પ્રદર્શિત થાય છે. SThM વિશ્લેષણના પરિણામો આમાં બતાવવામાં આવ્યા છે 2. અહીં આપણે ઇલેક્ટ્રીકલી હીટેડ Gr/MoS2/WSe22 ચેનલોનો નકશો તેમજ સરફેસ હીટિંગમાં એકરૂપતાની હાજરી જોઈએ છીએ.

ઉપર વર્ણવેલ સ્કેનિંગ તકનીકો, ખાસ કરીને SThM, અભ્યાસ હેઠળની રચનાની એકરૂપતાની પુષ્ટિ કરે છે, એટલે કે, તાપમાનના સંદર્ભમાં તેની એકરૂપતા. આગળનું પગલું રામન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (એટલે ​​​​કે, રામન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી) નો ઉપયોગ કરીને દરેક ઘટક સ્તરોના તાપમાનને માપવાનું હતું.

ત્રણેય ઉપકરણોનું પરીક્ષણ કરવામાં આવ્યું હતું, દરેકનું ક્ષેત્રફળ ~40 µm2 હતું. આ કિસ્સામાં, હીટર પાવર 9 mW દ્વારા બદલાયો, અને શોષિત લેસર પાવર ~5 μm0.5 ના લેસર સ્પોટ વિસ્તાર સાથે ~2 μW ની નીચે હતો.

છબી #3

ચાર્ટ પર 3 Gr/MoS2/WSe22 હેટરોસ્ટ્રક્ચરમાં હીટર પાવર વધવાથી દરેક સ્તર અને સબસ્ટ્રેટના તાપમાનમાં વધારો (∆T) દેખાય છે.

દરેક સામગ્રી (સ્તર) માટે રેખીય કાર્યના ઢોળાવ વ્યક્તિગત સ્તર અને હીટ સિંક વચ્ચે થર્મલ પ્રતિકાર (Rth=∆T/P) સૂચવે છે. વિસ્તાર પર ગરમીના સમાન વિતરણને જોતાં, થર્મલ પ્રતિકારનું તળિયેથી ઉપરના સ્તર સુધી સરળતાથી વિશ્લેષણ કરી શકાય છે, જે દરમિયાન તેમના મૂલ્યો ચેનલ વિસ્તાર (WL) દ્વારા સામાન્ય કરવામાં આવે છે.

L અને W એ ચેનલની લંબાઈ અને પહોળાઈ છે, જે SiO2 સબસ્ટ્રેટની જાડાઈ અને બાજુની થર્મલ હીટિંગ લંબાઈ કરતાં નોંધપાત્ર રીતે વધારે છે, જે ~0.1 μm છે.

તેથી, અમે Si સબસ્ટ્રેટના થર્મલ પ્રતિકાર માટે સૂત્ર મેળવી શકીએ છીએ, જે આના જેવો દેખાશે:

Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)

આ પરિસ્થિતિમાં kSi ≈ 90 W m−1 K−1, જે આવા અત્યંત ડોપ્ડ સબસ્ટ્રેટની અપેક્ષિત થર્મલ વાહકતા છે.

Rth,WSe2 અને Rth,Si વચ્ચેનો તફાવત એ 2 nm જાડા SiO100 ના થર્મલ પ્રતિકાર અને WSe2/SiO2 ઇન્ટરફેસના થર્મલ બાઉન્ડ્રી રેઝિસ્ટન્સ (TBR) નો સરવાળો છે.

ઉપરોક્ત તમામ પાસાઓને એકસાથે મૂકીને, આપણે સ્થાપિત કરી શકીએ છીએ કે Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, અને Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. તેથી, ગ્રાફમાંથી 3 દરેક WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 અને Gr/MoS2 ઇન્ટરફેસ માટે TBR મૂલ્ય કાઢવાનું શક્ય છે.

આગળ, વૈજ્ઞાનિકોએ રમન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી અને થર્મલ માઇક્રોસ્કોપી (3b).

SiO2 પર બિલેયર અને ટ્રાયલેયર હેટરોસ્ટ્રક્ચર્સે ઓરડાના તાપમાને 220 થી 280 m2 K/GW ની રેન્જમાં અસરકારક થર્મલ પ્રતિકાર પ્રદર્શિત કર્યો, જે 2 થી 290 nm ની જાડાઈ સાથે SiO360 ના થર્મલ પ્રતિકારની સમકક્ષ છે. અભ્યાસ હેઠળ હેટરોસ્ટ્રક્ચર્સની જાડાઈ 2 એનએમ કરતાં વધી નથી તે હકીકત હોવા છતાં (1d-1f), તેમની થર્મલ વાહકતા ઓરડાના તાપમાને 0.007-0.009 W m−1 K−1 છે.

છબી #4

ઈમેજ 4 ચારેય સ્ટ્રક્ચર્સ અને તેમના ઈન્ટરફેસની થર્મલ બાઉન્ડ્રી વાહકતા (TBC) ના માપ દર્શાવે છે, જે અમને અગાઉ માપેલા થર્મલ રેઝિસ્ટન્સ (TBC = 1 / TBR) પર દરેક સ્તરના પ્રભાવની ડિગ્રીનું મૂલ્યાંકન કરવાની મંજૂરી આપે છે.

સંશોધકો નોંધે છે કે અલગ મોનોલેયર્સ (2D/2D), ખાસ કરીને WSe2 અને SiO2 મોનોલેયર્સ વચ્ચેના પરમાણુ નજીકના ઇન્ટરફેસ માટે આ પ્રથમ વખતનું TBC માપ છે.

મોનોલેયર WSe2/SiO2 ઈન્ટરફેસનું TBC મલ્ટિલેયર WSe2/SiO2 ઈન્ટરફેસ કરતા ઓછું છે, જે આશ્ચર્યજનક નથી કારણ કે મોનોલેયરમાં ટ્રાન્સમિશન માટે નોંધપાત્ર રીતે ઓછા બેન્ડિંગ ફોનોન મોડ્સ ઉપલબ્ધ છે. સરળ શબ્દોમાં કહીએ તો, 2D સ્તરો વચ્ચેના ઇન્ટરફેસનું TBC 2D સ્તર અને 3D SiO2 સબસ્ટ્રેટ વચ્ચેના ઇન્ટરફેસના TBC કરતા ઓછું છે (4b).

અભ્યાસની ઘોંઘાટ સાથે વધુ વિગતવાર પરિચય માટે, હું જોવાની ભલામણ કરું છું વૈજ્ઞાનિકો અહેવાલ આપે છે и વધારાની સામગ્રી તેને.

ઉપસંહાર

આ સંશોધન, જેમ કે વૈજ્ઞાનિકો પોતે દાવો કરે છે, અમને જ્ઞાન આપે છે જે અણુ થર્મલ ઇન્ટરફેસના અમલીકરણમાં લાગુ કરી શકાય છે. આ કાર્યએ હીટ-ઇન્સ્યુલેટીંગ મેટામેટરિયલ્સ બનાવવાની શક્યતા દર્શાવી છે જેના ગુણધર્મો પ્રકૃતિમાં જોવા મળતા નથી. વધુમાં, અભ્યાસે સ્તરોના અણુ સ્કેલ હોવા છતાં, આવા માળખાના ચોક્કસ તાપમાન માપન હાથ ધરવાની શક્યતાને પણ સમર્થન આપ્યું હતું.

ઉપર વર્ણવેલ હેટરોસ્ટ્રક્ચર્સ અલ્ટ્રા-લાઇટ અને કોમ્પેક્ટ થર્મલ "શિલ્ડ" માટેનો આધાર બની શકે છે, ઉદાહરણ તરીકે, ઇલેક્ટ્રોનિક્સમાં હોટ સ્પોટ્સમાંથી ગરમી દૂર કરવા સક્ષમ. વધુમાં, આ તકનીકનો ઉપયોગ થર્મોઇલેક્ટ્રિક જનરેટર અથવા થર્મલી નિયંત્રિત ઉપકરણોમાં થઈ શકે છે, તેમની કામગીરીમાં વધારો કરે છે.

આ અભ્યાસ ફરી એક વાર પુષ્ટિ કરે છે કે આધુનિક વિજ્ઞાન "થંબલમાં કાર્યક્ષમતા" ના સિદ્ધાંતમાં ગંભીરતાથી રસ ધરાવે છે, જેને ગ્રહના મર્યાદિત સંસાધનો અને તમામ પ્રકારની તકનીકી નવીનતાઓની માંગમાં સતત વૃદ્ધિને જોતાં, મૂર્ખ વિચાર કહી શકાય નહીં.

તમારા ધ્યાન બદલ આભાર, ઉત્સુક રહો અને દરેકનું અઠવાડિયું સરસ રહે! 🙂

અમારી સાથે રહેવા બદલ આભાર. શું તમને અમારા લેખો ગમે છે? વધુ રસપ્રદ સામગ્રી જોવા માંગો છો? ઓર્ડર આપીને અથવા મિત્રોને ભલામણ કરીને અમને ટેકો આપો, એન્ટ્રી-લેવલ સર્વર્સના અનન્ય એનાલોગ પર Habr વપરાશકર્તાઓ માટે 30% ડિસ્કાઉન્ટ, જેની શોધ અમારા દ્વારા તમારા માટે કરવામાં આવી હતી: VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps વિશેનું સંપૂર્ણ સત્ય $20 થી અથવા સર્વર કેવી રીતે શેર કરવું? (RAID1 અને RAID10 સાથે ઉપલબ્ધ, 24 કોરો સુધી અને 40GB DDR4 સુધી).

ડેલ R730xd 2 ગણું સસ્તું? માત્ર અહીં 2 x ઇન્ટેલ ટેટ્રાડેકા-કોર Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ટીવી $199 થી નેધરલેન્ડમાં! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - $99 થી! વિશે વાંચો ઇન્ફ્રાસ્ટ્રક્ચર કોર્પોરેશન કેવી રીતે બનાવવું. ડેલ R730xd E5-2650 v4 સર્વર્સના ઉપયોગ સાથેનો વર્ગ એક પેની માટે 9000 યુરોના મૂલ્યના છે?

સોર્સ: www.habr.com