यदि आपके पास लैपटॉप है तो हीटिंग पैड क्यों: परमाणु स्तर पर थर्मल प्रतिरोध का अध्ययन

दुनिया भर में Xbox 360 युग का अनुभव करने वाले कई गेमर्स उस स्थिति से बहुत परिचित हैं जब उनका कंसोल एक फ्राइंग पैन में बदल गया था जिस पर वे अंडे भून सकते थे। ऐसी ही दुखद स्थिति न केवल गेम कंसोल के साथ, बल्कि फोन, लैपटॉप, टैबलेट और भी बहुत कुछ के साथ होती है। सिद्धांत रूप में, लगभग कोई भी इलेक्ट्रॉनिक उपकरण थर्मल शॉक का अनुभव कर सकता है, जिससे न केवल इसकी विफलता और इसके मालिक को परेशानी हो सकती है, बल्कि बैटरी में "खराब उछाल" और गंभीर चोट भी लग सकती है। आज हम एक अध्ययन से परिचित होंगे जिसमें कॉमिक्स के निक फ्यूरी जैसे स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों ने एक ढाल बनाई है जो गर्मी के प्रति संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक भागों को ज़्यादा गरम होने से बचाती है और परिणामस्वरूप, उनके टूटने को रोकती है। वैज्ञानिकों ने थर्मल शील्ड बनाने में कैसे कामयाबी हासिल की, इसके मुख्य घटक क्या हैं और यह कितना प्रभावी है? हम अनुसंधान समूह की रिपोर्ट से इसके बारे में और बहुत कुछ सीखते हैं। जाना।

अनुसंधान आधार

ज़्यादा गरम होने की समस्या बहुत लंबे समय से ज्ञात है, और वैज्ञानिक इसे विभिन्न तरीकों से हल करते हैं। सबसे लोकप्रिय में से कुछ कांच, प्लास्टिक और यहां तक ​​कि हवा की परतों का उपयोग है, जो थर्मल विकिरण के एक प्रकार के इन्सुलेटर के रूप में काम करते हैं। आधुनिक वास्तविकताओं में, थर्मल इन्सुलेशन गुणों को खोए बिना सुरक्षात्मक परत की मोटाई को कई परमाणुओं तक कम करके इस विधि में सुधार किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने ठीक यही किया।

बेशक, हम नैनोमटेरियल्स के बारे में बात कर रहे हैं। हालाँकि, थर्मल इन्सुलेशन में उनका उपयोग पहले इस तथ्य से जटिल था कि शीतलक की तरंग दैर्ध्य (फोनन*) इलेक्ट्रॉनों या फोटॉनों की तुलना में काफी छोटा है।

फ़ोनन* - एक क्वासिपार्टिकल, जो क्रिस्टल परमाणुओं की कंपन गति का एक क्वांटम है।

इसके अलावा, फ़ोनों की बोसोनिक प्रकृति के कारण, उन्हें वोल्टेज द्वारा नियंत्रित करना असंभव है (जैसा कि चार्ज वाहक के साथ किया जाता है), जिससे आम तौर पर ठोस पदार्थों में गर्मी हस्तांतरण को नियंत्रित करना मुश्किल हो जाता है।

पहले, ठोस पदार्थों के तापीय गुण, जैसा कि शोधकर्ता हमें याद दिलाते हैं, संरचनात्मक विकार और उच्च घनत्व इंटरफेस के कारण नैनोलैमिनेट फिल्मों और सुपरलैटिस के माध्यम से या मजबूत फोनन बिखरने के कारण सिलिकॉन और जर्मेनियम नैनोवायर के माध्यम से नियंत्रित किया जाता था।

ऊपर वर्णित कई थर्मल इन्सुलेशन विधियों के लिए, वैज्ञानिक आत्मविश्वास से दो-आयामी सामग्रियों को श्रेय देने के लिए तैयार हैं, जिनकी मोटाई कई परमाणुओं से अधिक नहीं होती है, जिससे उन्हें परमाणु पैमाने पर नियंत्रित करना आसान हो जाता है। अपने अध्ययन में उन्होंने प्रयोग किया वान डर वाल्स (vdW) परमाणु रूप से पतली 2डी परतों का संयोजन, ताकि उनकी संपूर्ण संरचना में बहुत अधिक तापीय प्रतिरोध प्राप्त किया जा सके।

वैन डेर वाल्स बल* - 10-20 kJ/mol की ऊर्जा के साथ अंतर-आण्विक/अंतर-परमाणु संपर्क बल।

नई तकनीक ने 2 एनएम मोटी SiO2 (सिलिकॉन डाइऑक्साइड) परत की तुलना में 300 एनएम मोटी वीडीडब्ल्यू हेटरोस्ट्रक्चर में थर्मल प्रतिरोध प्राप्त करना संभव बना दिया।

इसके अलावा, वीडीडब्ल्यू हेटरोस्ट्रक्चर के उपयोग ने विभिन्न परमाणु द्रव्यमान घनत्व और कंपन मोड के साथ विषम XNUMXडी मोनोलेयर की परत के माध्यम से परमाणु स्तर पर थर्मल गुणों पर नियंत्रण हासिल करना संभव बना दिया है।

तो, आइए बिल्ली की मूंछें न खींचें और इस अद्भुत शोध के परिणामों पर विचार करना शुरू करें।

अध्ययन के परिणाम

सबसे पहले, आइए इस अध्ययन में प्रयुक्त वीडीडब्ल्यू हेटरोस्ट्रक्चर की माइक्रोस्ट्रक्चरल और ऑप्टिकल विशेषताओं से परिचित हों।

छवि #1

छवि पर 1а चार-परत हेटरोस्ट्रक्चर का एक क्रॉस-अनुभागीय आरेख दिखाता है जिसमें (ऊपर से नीचे तक) शामिल है: ग्राफीन (जीआर), MoSe2, MoS2, WSe22 और एक SiO2/Si सब्सट्रेट। सभी परतों को एक साथ स्कैन करने के लिए, उपयोग करें रमन लेजर* 532 एनएम की तरंग दैर्ध्य के साथ।

रमन लेजर* - एक प्रकार का लेज़र जिसमें प्रकाश प्रवर्धन का मुख्य तंत्र रमन प्रकीर्णन है।

रमन बिखर रहा है, बदले में, किसी पदार्थ के अणुओं पर ऑप्टिकल विकिरण का अकुशल प्रकीर्णन है, जो विकिरण की आवृत्ति में एक महत्वपूर्ण परिवर्तन के साथ होता है।

हेटरोस्ट्रक्चर की माइक्रोस्ट्रक्चरल, थर्मल और इलेक्ट्रिकल एकरूपता की पुष्टि करने के लिए कई तरीकों का इस्तेमाल किया गया: स्कैनिंग ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसटीईएम), फोटोल्यूमिनसेंस स्पेक्ट्रोस्कोपी (पीएल), केल्विन जांच माइक्रोस्कोपी (केपीएम), स्कैनिंग थर्मल माइक्रोस्कोपी (एसटीएचएम), साथ ही रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी और थर्मोमेट्री।

Изображение 1b हमें लाल बिंदु से चिह्नित स्थान पर SiO2/Si सब्सट्रेट पर Gr/MoSe2/MoS22/WSe2 हेटरोस्ट्रक्चर का रमन स्पेक्ट्रम दिखाता है। यह प्लॉट परत सरणी में प्रत्येक मोनोलेयर के हस्ताक्षर, साथ ही सी सब्सट्रेट के हस्ताक्षर को दर्शाता है।

पर 1c-1f Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 हेटरोस्ट्रक्चर की डार्क-फील्ड STEM छवियां दिखाई गई हैं (1с) और Gr/MoS2/WSe22 हेटरोस्ट्रक्चर (1d-1f) विभिन्न जाली झुकावों के साथ। एसटीईएम छवियां बिना किसी संदूषण के परमाणु रूप से बंद वीडीडब्ल्यू अंतराल दिखाती हैं, जिससे इन हेटरोस्ट्रक्चर की समग्र मोटाई पूरी तरह से दिखाई देती है। फोटोल्यूमिनसेंस (पीएल) स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके बड़े स्कैनिंग क्षेत्रों पर इंटरलेयर युग्मन की उपस्थिति की भी पुष्टि की गई (1g). हेटरोस्ट्रक्चर के अंदर अलग-अलग परतों का फोटोल्यूमिनसेंट सिग्नल एक पृथक मोनोलेयर के सिग्नल की तुलना में काफी दबा हुआ होता है। इसे करीबी इंटरलेयर इंटरेक्शन के कारण इंटरलेयर चार्ज ट्रांसफर की प्रक्रिया द्वारा समझाया गया है, जो एनीलिंग के बाद और भी मजबूत हो जाता है।

छवि #2

हेटरोस्ट्रक्चर के परमाणु विमानों के लंबवत ताप प्रवाह को मापने के लिए, परतों की सरणी को चार-जांच विद्युत उपकरणों के रूप में संरचित किया गया था। ग्राफीन की ऊपरी परत पैलेडियम (पीडी) इलेक्ट्रोड से संपर्क करती है और इसका उपयोग रमन थर्मोमेट्री माप के लिए हीटर के रूप में किया जाता है।

यह विद्युत तापन विधि इनपुट शक्ति की सटीक मात्रा प्रदान करती है। एक अन्य संभावित हीटिंग विधि, ऑप्टिकल, को अलग-अलग परतों के अवशोषण गुणांक की अज्ञानता के कारण लागू करना अधिक कठिन होगा।

पर 2а एक चार-जांच माप सर्किट दिखाता है, और 2b परीक्षण की जा रही संरचना का शीर्ष दृश्य दिखाता है। अनुसूची 2с तीन उपकरणों के लिए मापी गई गर्मी हस्तांतरण विशेषताओं को दिखाता है, एक में केवल ग्राफीन होता है और दो में Gr/WSe22 और Gr/MoSe2/WSe22 परत सरणियाँ होती हैं। सभी प्रकार ग्राफीन के द्विध्रुवीय व्यवहार को प्रदर्शित करते हैं, जो बैंड गैप की अनुपस्थिति से जुड़ा है।

यह भी पाया गया कि वर्तमान संचालन और ताप ऊपरी परत (ग्राफीन) में होता है, क्योंकि इसकी विद्युत चालकता MoS2 और WSe22 की तुलना में परिमाण के कई क्रम अधिक है।

परीक्षण किए गए उपकरणों की एकरूपता प्रदर्शित करने के लिए, केल्विन जांच माइक्रोस्कोपी (केपीएम) और स्कैनिंग थर्मल माइक्रोस्कोपी (एसटीएचएम) का उपयोग करके माप लिया गया। चार्ट पर 2d केपीएम माप रैखिक संभावित वितरण को प्रकट करते हुए प्रदर्शित किए जाते हैं। एसटीएचएम विश्लेषण के परिणाम दिखाए गए हैं 2e. यहां हम विद्युत रूप से गर्म किए गए Gr/MoS2/WSe22 चैनलों का एक नक्शा देखते हैं, साथ ही सतह हीटिंग में एकरूपता की उपस्थिति भी देखते हैं।

ऊपर वर्णित स्कैनिंग तकनीक, विशेष रूप से एसटीएचएम, ने अध्ययन के तहत संरचना की एकरूपता, यानी तापमान के संदर्भ में इसकी एकरूपता की पुष्टि की। अगला कदम रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी (यानी, रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी) का उपयोग करके प्रत्येक घटक परत के तापमान को मापना था।

सभी तीन उपकरणों का परीक्षण किया गया, प्रत्येक का क्षेत्रफल ~40 µm2 था। इस मामले में, हीटर की शक्ति 9 mW बदल गई, और अवशोषित लेजर शक्ति ~5 μm0.5 के लेजर स्पॉट क्षेत्र के साथ ~2 μW से कम थी।

छवि #3

चार्ट पर 3а Gr/MoS2/WSe22 हेटरोस्ट्रक्चर में हीटर की शक्ति बढ़ने पर प्रत्येक परत और सब्सट्रेट के तापमान (∆T) में वृद्धि दिखाई देती है।

प्रत्येक सामग्री (परत) के लिए रैखिक फ़ंक्शन का ढलान व्यक्तिगत परत और हीट सिंक के बीच थर्मल प्रतिरोध (Rth=∆T/P) को इंगित करता है। क्षेत्र में हीटिंग के समान वितरण को देखते हुए, थर्मल प्रतिरोधों का नीचे से ऊपर की परत तक आसानी से विश्लेषण किया जा सकता है, जिसके दौरान उनके मूल्यों को चैनल क्षेत्र (डब्ल्यूएल) द्वारा सामान्यीकृत किया जाता है।

एल और डब्ल्यू चैनल की लंबाई और चौड़ाई हैं, जो SiO2 सब्सट्रेट की मोटाई और पार्श्व थर्मल हीटिंग लंबाई से काफी अधिक हैं, जो ~ 0.1 माइक्रोन है।

इसलिए, हम सी सब्सट्रेट के थर्मल प्रतिरोध के लिए सूत्र प्राप्त कर सकते हैं, जो इस तरह दिखेगा:

Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kसी)

इस दशा में kSi ≈ 90 W m−1 K−1, जो ऐसे अत्यधिक डोप किए गए सब्सट्रेट की अपेक्षित तापीय चालकता है।

Rth,WSe2 और Rth,Si के बीच का अंतर 2 एनएम मोटी SiO100 के थर्मल प्रतिरोध और WSe2/SiO2 इंटरफ़ेस के थर्मल सीमा प्रतिरोध (TBR) का योग है।

उपरोक्त सभी पहलुओं को एक साथ रखकर, हम यह स्थापित कर सकते हैं कि Rth,MoS2 - Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, और Rth,Gr - Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2। इसलिए, ग्राफ़ से 3а प्रत्येक WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 और Gr/MoS2 इंटरफेस के लिए TBR मान निकालना संभव है।

इसके बाद, वैज्ञानिकों ने सभी हेटरोस्ट्रक्चर के कुल थर्मल प्रतिरोध की तुलना की, जिसे रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी और थर्मल माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके मापा गया (3b).

SiO2 पर बाइलेयर और ट्राइलेयर हेटरोस्ट्रक्चर ने कमरे के तापमान पर 220 से 280 m2 K/GW की सीमा में प्रभावी थर्मल प्रतिरोध प्रदर्शित किया, जो 2 से 290 एनएम की मोटाई के साथ SiO360 के थर्मल प्रतिरोध के बराबर है। इस तथ्य के बावजूद कि अध्ययन के तहत हेटरोस्ट्रक्चर की मोटाई 2 एनएम से अधिक नहीं है (1d-1f), कमरे के तापमान पर उनकी तापीय चालकता 0.007-0.009 W m−1 K−1 है।

छवि #4

छवि 4 सभी चार संरचनाओं की माप और उनके इंटरफेस की थर्मल सीमा चालकता (टीबीसी) दिखाती है, जो हमें पहले से मापा थर्मल प्रतिरोध (टीबीसी = 1 / टीबीआर) पर प्रत्येक परत के प्रभाव की डिग्री का मूल्यांकन करने की अनुमति देती है।

शोधकर्ताओं ने ध्यान दिया कि यह अलग-अलग मोनोलेयर्स (2D/2D) के बीच, विशेष रूप से WSe2 और SiO2 मोनोलेयर्स के बीच परमाणु रूप से करीबी इंटरफेस के लिए पहला टीबीसी माप है।

एक मोनोलेयर WSe2/SiO2 इंटरफ़ेस का TBC मल्टीलेयर WSe2/SiO2 इंटरफ़ेस की तुलना में कम है, जो आश्चर्य की बात नहीं है क्योंकि मोनोलेयर में ट्रांसमिशन के लिए काफी कम झुकने वाले फोनन मोड उपलब्ध हैं। सीधे शब्दों में कहें तो, 2D परतों के बीच इंटरफ़ेस का TBC 2D परत और 3D SiO2 सब्सट्रेट के बीच इंटरफ़ेस के TBC से कम है (4b).

अध्ययन की बारीकियों के साथ अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं देखने की सलाह देता हूं वैज्ञानिकों की रिपोर्ट и अतिरिक्त सामग्री उसे।

उपसंहार

यह शोध, जैसा कि वैज्ञानिक स्वयं दावा करते हैं, हमें वह ज्ञान देता है जिसे परमाणु थर्मल इंटरफेस के कार्यान्वयन में लागू किया जा सकता है। इस कार्य ने गर्मी-रोधक मेटामटेरियल बनाने की संभावना दिखाई, जिनके गुण प्रकृति में नहीं पाए जाते हैं। इसके अलावा, अध्ययन ने परतों के परमाणु पैमाने के बावजूद, ऐसी संरचनाओं का सटीक तापमान माप करने की संभावना की भी पुष्टि की।

ऊपर वर्णित हेटरोस्ट्रक्चर अल्ट्रा-लाइट और कॉम्पैक्ट थर्मल "शील्ड" का आधार बन सकते हैं, उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रॉनिक्स में हॉट स्पॉट से गर्मी को हटाने में सक्षम। इसके अलावा, इस तकनीक का उपयोग थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर या थर्मली नियंत्रित उपकरणों में किया जा सकता है, जिससे उनका प्रदर्शन बढ़ जाता है।

यह अध्ययन एक बार फिर पुष्टि करता है कि आधुनिक विज्ञान "थिम्बल में दक्षता" के सिद्धांत में गंभीरता से रुचि रखता है, जिसे ग्रह के सीमित संसाधनों और सभी प्रकार के तकनीकी नवाचारों की मांग में निरंतर वृद्धि को देखते हुए एक बेवकूफी भरा विचार नहीं कहा जा सकता है।

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स्रोत: www.habr.com