Az Xbox 360 korszakát átélt játékosok világszerte nagyon jól ismerik azt a helyzetet, amikor a konzoljuk egy serpenyővé változott, amelyen tojást süthettek. Hasonló szomorú helyzet nem csak a játékkonzoloknál, hanem telefonoknál, laptopoknál, táblagépeknél és még sok másnál is előfordul. Elvileg szinte minden elektronikai eszköz hősokkot érhet, ami nemcsak meghibásodásához és tulajdonosának idegesítéséhez vezethet, hanem az akkumulátor „rossz felfutásához” és súlyos sérülésekhez is. Ma egy tanulmánnyal ismerkedünk meg, amelyben a Stanford Egyetem tudósai, mint Nick Fury a képregényekből, olyan pajzsot hoztak létre, amely megvédi a hőérzékeny elektronikai alkatrészeket a túlmelegedéstől, és ennek eredményeként megakadályozza azok eltörését. Hogyan sikerült a tudósoknak hőpajzsot létrehozniuk, melyek a fő összetevői és mennyire hatékony? Erről és még sok másról értesülünk a kutatócsoport jelentéséből. Megy.
Kutatási alap
A túlmelegedés problémája nagyon régóta ismert, és a tudósok többféleképpen oldják meg. A legnépszerűbbek közé tartozik az üveg, a műanyag és a levegőrétegek használata, amelyek a hősugárzás egyfajta szigetelőjeként szolgálnak. A modern valóságban ez a módszer úgy javítható, hogy a védőréteg vastagságát több atomra csökkentjük anélkül, hogy elveszítené hőszigetelő tulajdonságait. Pontosan ezt tették a kutatók.
Természetesen nanoanyagokról beszélünk. Hőszigetelési alkalmazásukat azonban korábban nehezítette, hogy a hűtőfolyadékok hullámhossza (fononok*) lényegesen rövidebb, mint az elektronoké vagy fotonoké.
Phonon* - egy kvázirészecske, amely a kristályatomok rezgésmozgásának kvantuma.
Ezenkívül a fononok bozonikus természete miatt lehetetlen feszültséggel szabályozni őket (ahogyan ez a töltéshordozók esetében történik), ami általában megnehezíti a szilárd anyagok hőátadásának szabályozását.
Korábban a szilárd anyagok termikus tulajdonságait, amint arra a kutatók emlékeztetnek, nanolaminát filmeken és szuperrácsokon keresztül szabályozták a szerkezeti rendellenesség és a nagy sűrűségű határfelületek miatt, vagy szilícium és germánium nanohuzalokon keresztül az erős fononszórás miatt.
Számos fent leírt hőszigetelési módszerhez a tudósok magabiztosan készek kétdimenziós anyagokat tulajdonítani, amelyek vastagsága nem haladja meg a több atomot, ami megkönnyíti atomi léptékű szabályozásukat. Tanulmányukban felhasználták van der Waals (vdW) atomosan vékony 2D rétegek összeszerelése, hogy nagyon magas hőellenállást érjenek el heterostruktúrájukban.
Van der Waals erők* — 10-20 kJ/mol energiájú intermolekuláris/atomközi kölcsönhatási erők.
Az új technika lehetővé tette egy 2 nm vastag vdW heterostruktúra hőellenállásának elérését, amely hasonló a 2 nm vastagságú SiO300 (szilícium-dioxid) rétegéhez.
Ezen túlmenően a vdW heterostruktúrák használata lehetővé tette a termikus tulajdonságok atomi szintű szabályozását a heterogén XNUMXD egyrétegű rétegek rétegezésével, eltérő atomtömeg-sűrűséggel és rezgésmóddal.
Tehát ne húzzuk a macska bajuszát, és kezdjük el mérlegelni ennek a csodálatos kutatásnak az eredményeit.
Kutatási eredmények
Először is ismerkedjünk meg a jelen tanulmányban használt vdW heterostruktúrák mikroszerkezeti és optikai jellemzőivel.
1. kép
A képen 1a ábra egy négyrétegű heterostruktúra keresztmetszeti diagramját mutatja, amely a következőkből áll (fentről lefelé): grafén (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 és SiO2/Si szubsztrát. Az összes réteg egyidejű szkenneléséhez használja a Raman lézer* 532 nm hullámhosszal.
Raman lézer* - egy lézertípus, amelyben a fényerősítés fő mechanizmusa a Raman-szórás.
Raman szórása, viszont az optikai sugárzás rugalmatlan szóródása az anyag molekuláin, ami a sugárzás frekvenciájának jelentős változásával jár együtt.
A heterostruktúrák mikroszerkezeti, termikus és elektromos homogenitásának igazolására számos módszert alkalmaztak: pásztázó transzmissziós elektronmikroszkópia (STEM), fotolumineszcencia spektroszkópia (PL), Kelvin szonda mikroszkópia (KPM), pásztázó termikus mikroszkópia (SThM), valamint Raman spektroszkópia, ill. hőmérő .
Изображение 1b egy Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 heterostruktúra Raman-spektrumát mutatja SiO2/Si szubsztrátumon a piros ponttal jelölt helyen. Ez a diagram mutatja a rétegtömb minden egyes rétegének aláírását, valamint az Si szubsztrát aláírását.
tovább 1c-1f A Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 heterostruktúra sötét mező STEM képei láthatók (1s) és Gr/MoS2/WSe22 heterostruktúrák (1d-1f) különböző rácsirányzatokkal. A STEM képek atomosan közeli vdW-réseket mutatnak szennyeződés nélkül, így ezeknek a heterostruktúráknak a teljes vastagsága teljesen látható. A rétegközi csatolás jelenlétét nagy szkennelési területeken is megerősítették fotolumineszcencia (PL) spektroszkópiával (1g). A heterostruktúrán belüli egyes rétegek fotolumineszcens jele jelentősen elnyomott egy izolált monoréteg jeléhez képest. Ennek magyarázata a szoros rétegközi kölcsönhatás miatti rétegközi töltésátvitel folyamata, amely lágyítás után még erősebbé válik.
2. kép
A heterostruktúra atomi síkjaira merőleges hőáramlás mérése érdekében a rétegsort négyszondás elektromos eszközök formájában strukturáltuk. A grafén felső rétege érintkezik a palládium (Pd) elektródákkal, és Raman-hőmérséklet-mérések fűtőanyagaként használják.
Ez az elektromos fűtési módszer a bemeneti teljesítmény pontos számszerűsítését biztosítja. Egy másik lehetséges fűtési módszer, az optikai, nehezebb lenne megvalósítani az egyes rétegek abszorpciós együtthatóinak ismeretének hiánya miatt.
tovább 2a négyszondás mérőkört mutat, ill 2b a vizsgált szerkezet felülnézetét mutatja. Menetrend 2s három eszköz mért hőátadási jellemzőit mutatja, amelyek közül az egyik csak grafént, kettő pedig Gr/WSe22 és Gr/MoSe2/WSe22 rétegsorokat tartalmaz. Minden változat a grafén ambipoláris viselkedését mutatja, ami a sávrés hiányával jár.
Azt is megállapították, hogy az áramvezetés és a melegedés a felső rétegben (grafén) történik, mivel elektromos vezetőképessége több nagyságrenddel nagyobb, mint a MoS2-é és a WSe22-é.
A vizsgált eszközök homogenitásának bizonyítására a méréseket Kelvin szonda mikroszkóppal (KPM) és pásztázó termikus mikroszkóppal (SThM) végeztük. A diagramon 2d A KPM mérések megjelennek a lineáris potenciáleloszláson. Az SThM analízis eredményeit a 2е. Itt láthatjuk az elektromosan fűtött Gr/MoS2/WSe22 csatornák térképét, valamint a felületmelegítés egyenletességének jelenlétét.
A fent leírt szkennelési technikák, különösen az SThM, megerősítették a vizsgált szerkezet homogenitását, azaz homogenitását a hőmérsékletek tekintetében. A következő lépés az egyes alkotórétegek hőmérsékletének számszerűsítése volt Raman-spektroszkópia (azaz Raman-spektroszkópia) segítségével.
Mindhárom készüléket tesztelték, mindegyik ~40 µm2 területtel. Ebben az esetben a fűtőteljesítmény 9 mW-tal változott, és az elnyelt lézerteljesítmény ~5 μW alatt volt ~0.5 μm2 lézerpontfelület mellett.
3. kép
A diagramon 3a az egyes rétegek és szubsztrátumok hőmérsékletének emelkedése (∆T) látható, ahogy a Gr/MoS2/WSe22 heterostruktúra fűtőteljesítménye nő.
A lineáris függvény meredekségei az egyes anyagokra (rétegekre) jelzik az egyes rétegek és a hűtőborda közötti hőellenállást (Rth=∆T/P). Tekintettel a fűtés egyenletes eloszlására a területen, a hőellenállások könnyen elemezhetők az alsótól a felső rétegig, amely során értékeiket a csatornaterület (WL) normalizálja.
L és W a csatorna hossza és szélessége, amely lényegesen nagyobb, mint a SiO2 szubsztrát vastagsága és az oldalsó hőmelegítési hossz, ami ~0.1 μm.
Ezért levezethetjük a Si szubsztrát hőellenállásának képletét, amely így fog kinézni:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
Ebben a helyzetben kSi ≈ 90 W m−1 K−1, ami egy ilyen erősen adalékolt hordozó várható hővezető képessége.
Az Rth,WSe2 és az Rth,Si közötti különbség a 2 nm vastag SiO100 hőellenállásának és a WSe2/SiO2 interfész termikus határellenállásának (TBR) összege.
A fenti szempontokat összesítve megállapíthatjuk, hogy Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, és Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Ezért a grafikonból 3a lehetőség van a TBR érték kinyerésére a WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 és Gr/MoS2 interfészek mindegyikéhez.
Ezután a tudósok összehasonlították az összes heterostruktúra teljes hőellenállását, amelyet Raman-spektroszkópiával és termikus mikroszkópiával mértek.3b).
A SiO2 két- és háromrétegű heterostruktúrái effektív hőellenállást mutattak szobahőmérsékleten 220-280 m2 K/GW tartományban, ami megegyezik a 2-290 nm vastagságú SiO360 hőellenállásával. Annak ellenére, hogy a vizsgált heterostruktúrák vastagsága nem haladja meg a 2 nm-t (1d-1f), hővezető képességük szobahőmérsékleten 0.007-0.009 W m−1 K−1.
4. kép
A 4. képen mind a négy szerkezet mérése és határfelületeinek hőhatárvezető-képessége (TBC) látható, amely lehetővé teszi az egyes rétegek befolyásának mértékét a korábban mért hőellenállásra (TBC = 1 / TBR).
A kutatók megjegyzik, hogy ez az első olyan TBC-mérés, amely a különálló egyrétegű rétegek (2D/2D), különösen a WSe2 és SiO2 egyrétegű rétegek közötti atomosan közeli interfészekre vonatkozik.
Az egyrétegű WSe2/SiO2 interfész TBC-je alacsonyabb, mint a többrétegű WSe2/SiO2 interfészé, ami nem meglepő, mivel az egyrétegű rétegben lényegesen kevesebb hajlító fonon mód áll rendelkezésre az átvitelhez. Egyszerűen fogalmazva, a 2D rétegek közötti interfész TBC-je alacsonyabb, mint a 2D réteg és a 3D SiO2 szubsztrát közötti interfész TBC-je (4b).
A tanulmány árnyalatainak részletesebb megismeréséhez javaslom, hogy tekintse meg и neki.
Epilógus
Ez a kutatás, amint azt maguk a tudósok állítják, olyan ismereteket ad, amelyek alkalmazhatók az atomi termikus határfelületek megvalósításában. Ez a munka megmutatta olyan hőszigetelő metaanyagok létrehozásának lehetőségét, amelyek tulajdonságai a természetben nem találhatók meg. Emellett a tanulmány azt is megerősítette, hogy a rétegek atomi léptéke ellenére is lehet pontos hőmérsékletméréseket végezni az ilyen szerkezeteknél.
A fent leírt heterostruktúrák ultrakönnyű és kompakt hőpajzsok alapjává válhatnak, amelyek például képesek hőt eltávolítani az elektronika forró pontjairól. Ezenkívül ez a technológia felhasználható termoelektromos generátorokban vagy hőszabályozású eszközökben, növelve azok teljesítményét.
Ez a tanulmány ismét megerősíti, hogy a modern tudományt komolyan érdekli a „gyűszűben való hatékonyság” elve, amely nem nevezhető ostoba ötletnek, tekintettel a bolygó korlátozott erőforrásaira és a mindenféle technológiai innováció iránti kereslet folyamatos növekedésére.
Köszönöm a figyelmet, maradjatok kíváncsiak és szép hetet mindenkinek! 🙂
Köszönjük, hogy velünk tartott. Tetszenek cikkeink? További érdekes tartalmakat szeretne látni? Támogass minket rendeléssel vagy ajánlj ismerőseidnek, 30% kedvezmény a Habr felhasználóknak a belépő szintű szerverek egyedülálló analógjára, amelyet mi találtunk ki Önnek: (RAID1 és RAID10, akár 24 maggal és akár 40 GB DDR4-gyel is elérhető).
Dell R730xd kétszer olcsóbb? Csak itt Hollandiában! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 dollártól! Olvasni valamiről
Forrás: will.com