Mnogi igrači diljem svijeta koji su iskusili eru Xboxa 360 itekako dobro poznaju situaciju kada se njihova konzola pretvorila u tavu na kojoj su mogli pržiti jaja. Slična tužna situacija događa se ne samo s igraćim konzolama, već i s telefonima, prijenosnim računalima, tabletima i još mnogo toga. U principu, gotovo svaki elektronički uređaj može doživjeti toplinski udar, što može dovesti ne samo do njegovog kvara i uzrujavanja vlasnika, već i do "lošeg praska" baterije i ozbiljne ozljede. Danas ćemo se upoznati sa istraživanjem u kojem su znanstvenici sa Sveučilišta Stanford, poput stripovskog Nicka Furyja, izradili štit koji elektroničke dijelove osjetljive na toplinu štiti od pregrijavanja i posljedično sprječava njihov kvar. Kako su znanstvenici uspjeli stvoriti toplinski štit, koje su njegove glavne komponente i koliko je učinkovit? O tome i više doznajemo iz izvješća istraživačke skupine. Ići.
Osnova istraživanja
Problem pregrijavanja poznat je već jako dugo, a znanstvenici ga rješavaju na različite načine. Neki od najpopularnijih su korištenje stakla, plastike, pa čak i slojeva zraka, koji služe kao svojevrsni izolatori toplinskog zračenja. U suvremenim stvarnostima ova se metoda može poboljšati smanjenjem debljine zaštitnog sloja na nekoliko atoma bez gubitka svojstava toplinske izolacije. To je upravo ono što su istraživači učinili.
Naravno, govorimo o nanomaterijalima. Međutim, njihova uporaba u toplinskoj izolaciji prije je bila komplicirana činjenicom da je valna duljina rashladnih tekućina (fononi*) znatno je kraći od elektrona ili fotona.
fonon* - kvazičestica, koja je kvant vibracijskog gibanja kristalnih atoma.
Osim toga, zbog bozonske prirode fonona, nemoguće ih je kontrolirati naponom (kao što je to učinjeno s nositeljima naboja), što općenito otežava kontrolu prijenosa topline u čvrstim tijelima.
Prethodno su se toplinska svojstva čvrstih tijela, podsjećaju istraživači, kontrolirala putem nanolaminatnih filmova i superrešetki zbog strukturnog poremećaja i sučelja visoke gustoće, ili putem silicijevih i germanijskih nanožica zbog jakog raspršenja fonona.
Brojnim gore opisanim metodama toplinske izolacije znanstvenici su pouzdano spremni pripisati dvodimenzionalne materijale čija debljina ne prelazi nekoliko atoma, što ih čini lakim za kontrolu na atomskoj razini. U svojoj studiji koristili su van der Waals (vdW) sklop atomski tankih 2D slojeva za postizanje vrlo visoke toplinske otpornosti kroz njihovu heterostrukturu.
Van der Waalsove sile* — međumolekulske/međuatomske interakcijske sile s energijom od 10-20 kJ/mol.
Nova tehnika omogućila je postizanje toplinske otpornosti u vdW heterostrukturi debljine 2 nm usporedive s onom u sloju SiO2 (silicijev dioksid) debljine 300 nm.
Osim toga, korištenje vdW heterostruktura omogućilo je postizanje kontrole nad toplinskim svojstvima na atomskoj razini kroz slojevitost heterogenih XNUMXD monoslojeva s različitim gustoćama atomske mase i načinima vibracija.
Dakle, nemojmo čupati mačku za brkove i počnimo razmatrati rezultate ovog nevjerojatnog istraživanja.
Rezultati istraživanja
Prije svega, upoznajmo se s mikrostrukturnim i optičkim karakteristikama vdW heterostruktura korištenih u ovom istraživanju.
Slika #1
Na slici 1a prikazuje dijagram presjeka četveroslojne heterostrukture koja se sastoji od (odozgo prema dolje): grafena (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 i SiO2/Si supstrata. Za skeniranje svih slojeva istovremeno koristite Raman laser* s valnom duljinom od 532 nm.
Raman laser* - vrsta lasera u kojem je glavni mehanizam pojačanja svjetlosti Ramanovo raspršenje.
Ramanovo raspršenje, pak, je neelastično raspršenje optičkog zračenja na molekulama tvari, koje je popraćeno značajnom promjenom frekvencije zračenja.
Za potvrdu mikrostrukturne, toplinske i električne homogenosti heterostruktura korišteno je nekoliko metoda: skenirajuća transmisijska elektronska mikroskopija (STEM), fotoluminiscencijska spektroskopija (PL), mikroskopija Kelvinovom sondom (KPM), skenirajuća toplinska mikroskopija (SThM), kao i Ramanova spektroskopija i termometrija .
Изображение 1b prikazuje nam Ramanov spektar Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 heterostrukture na SiO2/Si supstratu na mjestu označenom crvenom točkom. Ovaj dijagram prikazuje potpis svakog monosloja u nizu slojeva, kao i potpis Si supstrata.
Na 1c-1f prikazane su STEM slike tamnog polja heterostrukture Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 (1s) i Gr/MoS2/WSe22 heterostrukture (1d-1f) s različitim orijentacijama rešetke. STEM slike pokazuju atomski bliske vdW praznine bez ikakve kontaminacije, omogućujući da ukupna debljina ovih heterostruktura bude u potpunosti vidljiva. Prisutnost međuslojnog spajanja također je potvrđena na velikim područjima skeniranja pomoću fotoluminiscencijske (PL) spektroskopije (1g). Fotoluminiscentni signal pojedinih slojeva unutar heterostrukture značajno je potisnut u usporedbi sa signalom izoliranog monosloja. To se objašnjava procesom međuslojnog prijenosa naboja zbog bliske međuslojne interakcije, koja postaje još jača nakon žarenja.
Slika #2
Kako bi se izmjerio protok topline okomito na atomske ravnine heterostrukture, niz slojeva strukturiran je u obliku električnih uređaja s četiri sonde. Gornji sloj grafena dolazi u kontakt s paladijevim (Pd) elektrodama i koristi se kao grijač za Ramanova termometrijska mjerenja.
Ova metoda električnog grijanja omogućuje preciznu kvantifikaciju ulazne snage. Drugi mogući način zagrijavanja, optički, bilo bi teže provesti zbog nepoznavanja koeficijenata apsorpcije pojedinih slojeva.
Na 2a prikazuje mjerni krug s četiri sonde, i 2b prikazuje pogled odozgo na strukturu koja se ispituje. Raspored 2s prikazuje izmjerene karakteristike prijenosa topline za tri uređaja, jedan koji sadrži samo grafen i dva koja sadrže nizove slojeva Gr/WSe22 i Gr/MoSe2/WSe22. Sve varijante pokazuju ambipolarno ponašanje grafena, koje je povezano s odsutnošću zazora.
Također je utvrđeno da se provođenje struje i zagrijavanje javljaju u gornjem sloju (grafenu), budući da je njegova električna vodljivost nekoliko redova veličine veća od one kod MoS2 i WSe22.
Kako bi se pokazala homogenost testiranih uređaja, mjerenja su obavljena pomoću mikroskopije Kelvinove sonde (KPM) i skenirajuće toplinske mikroskopije (SThM). Na grafikonu 2d Prikazuju se KPM mjerenja koja otkrivaju linearnu distribuciju potencijala. Rezultati SThM analize prikazani su u 2е. Ovdje vidimo kartu električno grijanih Gr/MoS2/WSe22 kanala, kao i prisutnost jednolikosti u površinskom zagrijavanju.
Gore opisane tehnike skeniranja, posebice SThM, potvrdile su homogenost strukture koja se proučava, odnosno njezinu homogenost u temperaturnom smislu. Sljedeći korak bio je kvantificirati temperaturu svakog od sastavnih slojeva pomoću Ramanove spektroskopije (tj. Ramanove spektroskopije).
Testirana su sva tri uređaja, svaki s površinom od ~40 µm2. U ovom slučaju, snaga grijača se promijenila za 9 mW, a apsorbirana snaga lasera bila je ispod ~5 μW s površinom laserske točke od ~0.5 μm2.
Slika #3
Na grafikonu 3a vidljiv je porast temperature (∆T) svakog sloja i podloge kako se povećava snaga grijača u Gr/MoS2/WSe22 heterostrukturi.
Nagibi linearne funkcije za svaki materijal (sloj) pokazuju toplinski otpor (Rth=∆T/P) između pojedinačnog sloja i hladnjaka. S obzirom na jednoliku raspodjelu zagrijavanja po površini, toplinski otpori se mogu lako analizirati od donjeg do gornjeg sloja, pri čemu se njihove vrijednosti normaliziraju površinom kanala (WL).
L i W su duljina i širina kanala, koje su značajno veće od debljine SiO2 podloge i duljine bočnog toplinskog zagrijavanja, koja iznosi ~0.1 μm.
Stoga možemo izvesti formulu za toplinsku otpornost Si supstrata, koja će izgledati ovako:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
U ovoj situaciji kSi ≈ 90 W m−1 K−1, što je očekivana toplinska vodljivost tako visoko dopirane podloge.
Razlika između Rth,WSe2 i Rth,Si zbroj je toplinskog otpora SiO2 debljine 100 nm i toplinskog graničnog otpora (TBR) sučelja WSe2/SiO2.
Stavljajući sve gore navedene aspekte zajedno, možemo ustanoviti da je Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2 i Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Prema tome, iz grafikona 3a moguće je izdvojiti TBR vrijednost za svako od sučelja WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 i Gr/MoS2.
Zatim su znanstvenici usporedili ukupnu toplinsku otpornost svih heterostruktura, izmjerenu pomoću Ramanove spektroskopije i toplinske mikroskopije (3b).
Dvoslojne i troslojne heterostrukture na SiO2 pokazale su efektivnu toplinsku otpornost u rasponu od 220 do 280 m2 K/GW na sobnoj temperaturi, što je ekvivalentno toplinskoj otpornosti SiO2 debljine od 290 do 360 nm. Unatoč činjenici da debljina heterostruktura koje se proučavaju ne prelazi 2 nm (1d-1f), njihova toplinska vodljivost iznosi 0.007-0.009 W m−1 K−1 na sobnoj temperaturi.
Slika #4
Slika 4 prikazuje mjerenja sve četiri strukture i toplinsku graničnu vodljivost (TBC) njihovih sučelja, što nam omogućuje procjenu stupnja utjecaja svakog sloja na prethodno izmjereni toplinski otpor (TBC = 1 / TBR).
Istraživači napominju da je ovo prvo TBC mjerenje za atomski bliska sučelja između odvojenih monoslojeva (2D/2D), posebno između monoslojeva WSe2 i SiO2.
TBC jednoslojnog sučelja WSe2/SiO2 niži je od onog kod višeslojnog sučelja WSe2/SiO2, što nije iznenađujuće budući da jednoslojni ima znatno manje savijajućih fononskih modova dostupnih za prijenos. Jednostavno rečeno, TBC sučelja između 2D slojeva manji je od TBC sučelja između 2D sloja i 3D SiO2 supstrata (4b).
Za detaljnije upoznavanje s nijansama studije, preporučujem da pogledate и njemu.
Epilog
Ovo istraživanje, kako tvrde sami znanstvenici, daje nam saznanja koja se mogu primijeniti u implementaciji atomskih toplinskih sučelja. Ovaj rad pokazao je mogućnost stvaranja toplinski izolacijskih metamaterijala čija se svojstva ne nalaze u prirodi. Osim toga, studija je također potvrdila mogućnost provođenja preciznih temperaturnih mjerenja takvih struktura, unatoč atomskoj skali slojeva.
Gore opisane heterostrukture mogu postati osnova za ultra lagane i kompaktne toplinske "štitove", sposobne, na primjer, ukloniti toplinu s vrućih točaka u elektronici. Osim toga, ova se tehnologija može koristiti u termoelektričnim generatorima ili termički kontroliranim uređajima, povećavajući njihovu učinkovitost.
Ova studija još jednom potvrđuje da je moderna znanost ozbiljno zainteresirana za princip "učinkovitosti u naprstku", što se ne može nazvati glupom idejom, s obzirom na ograničene resurse planeta i kontinuirani rast potražnje za svim vrstama tehnoloških inovacija.
Hvala na čitanju, ostanite znatiželjni i želim vam ugodan tjedan! 🙂
Hvala što ste ostali s nama. Sviđaju li vam se naši članci? Želite li vidjeti više zanimljivog sadržaja? Podržite nas narudžbom ili preporukom prijateljima, 30% popusta za korisnike Habra na jedinstveni analog početnih poslužitelja, koji smo izmislili za vas: (dostupno s RAID1 i RAID10, do 24 jezgre i do 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 puta jeftiniji? Samo ovdje u Nizozemskoj! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - od 99 USD! Pročitaj o
Izvor: www.habr.com