Ինչու ջեռուցման պահոց, եթե ունեք նոութբուք. ատոմային մակարդակում ջերմային դիմադրության ուսումնասիրություն

Աշխարհի շատ խաղացողներ, ովքեր զգացել են Xbox 360-ի դարաշրջանը, լավ ծանոթ են այն իրավիճակին, երբ իրենց կոնսոլը վերածվեց տապակի, որի վրա կարող էին ձու տապակել: Նմանատիպ տխուր իրավիճակը տեղի է ունենում ոչ միայն խաղային կոնսուլների, այլև հեռախոսների, նոութբուքերի, պլանշետների և շատ ավելին: Սկզբունքորեն, գրեթե ցանկացած էլեկտրոնային սարք կարող է ենթարկվել ջերմային ցնցումների, ինչը կարող է հանգեցնել ոչ միայն դրա ձախողման և սեփականատիրոջ տխրության, այլև մարտկոցի «վատ բումի» և լուրջ վնասվածքի: Այսօր մենք կծանոթանանք մի հետազոտության, որի ընթացքում Սթենֆորդի համալսարանի գիտնականները, ինչպես Նիկ Ֆյուրին կոմիքսներից, ստեղծել են վահան, որը պաշտպանում է ջերմազգայուն էլեկտրոնային մասերը գերտաքացումից և արդյունքում կանխում դրանց խզումը։ Ինչպե՞ս է գիտնականներին հաջողվել ստեղծել ջերմային վահան, որո՞նք են դրա հիմնական բաղադրիչները և որքանո՞վ է այն արդյունավետ։ Այս և ավելին տեղեկանում ենք հետազոտական ​​խմբի զեկույցից։ Գնա։

Հետազոտության հիմքը

Գերտաքացման խնդիրը հայտնի է շատ վաղուց, և գիտնականները այն լուծում են տարբեր ձևերով։ Ամենահայտնիներից են ապակու, պլաստիկի և նույնիսկ օդի շերտերի օգտագործումը, որոնք ծառայում են որպես ջերմային ճառագայթման մի տեսակ մեկուսիչ: Ժամանակակից իրողություններում այս մեթոդը կարելի է կատարելագործել՝ նվազեցնելով պաշտպանիչ շերտի հաստությունը մինչև մի քանի ատոմ՝ չկորցնելով իր ջերմամեկուսիչ հատկությունները: Դա հենց այն է, ինչ արել են հետազոտողները:

Խոսքն, իհարկե, նանոնյութերի մասին է։ Այնուամենայնիվ, ջերմամեկուսացման մեջ դրանց օգտագործումը նախկինում բարդ էր նրանով, որ հովացուցիչ նյութերի ալիքի երկարությունը (ֆոնոններ*) զգալիորեն ավելի կարճ է, քան էլեկտրոնները կամ ֆոտոնները:

Ֆոնոն* - քվազիմասնիկ, որը բյուրեղային ատոմների թրթռումային շարժման քվանտ է։

Բացի այդ, ֆոնոնների բոզոնային բնույթի պատճառով անհնար է դրանք կառավարել լարման միջոցով (ինչպես դա արվում է լիցքակիրների դեպքում), ինչը, ընդհանուր առմամբ, դժվարացնում է պինդ մարմիններում ջերմության փոխանցումը կառավարելը։

Նախկինում պինդ մարմինների ջերմային հատկությունները, ինչպես հիշեցնում են հետազոտողները, վերահսկվում էին նանոլամինատային թաղանթների և գերվանդակների միջոցով՝ կառուցվածքային խանգարումների և բարձր խտության միջերեսների պատճառով, կամ սիլիցիումի և գերմանիումի նանոլարերի միջոցով՝ ուժեղ ֆոնոնային ցրման պատճառով:

Վերը նկարագրված մի շարք ջերմամեկուսացման մեթոդներին գիտնականները վստահորեն պատրաստ են վերագրել երկչափ նյութեր, որոնց հաստությունը չի գերազանցում մի քանի ատոմները, ինչը հեշտացնում է դրանք ատոմային մասշտաբով կառավարելը: Իրենց ուսումնասիրության մեջ նրանք օգտագործել են վան դեր Վալս (vdW) ատոմային բարակ 2D շերտերի հավաքում` հասնելու շատ բարձր ջերմային դիմադրության իրենց հետերոկառուցվածքի ողջ ընթացքում:

Վան դեր Վալսի ուժեր* — միջմոլեկուլային/միջատոմային փոխազդեցության ուժեր՝ 10-20 կՋ/մոլ էներգիայով։

Նոր տեխնիկան հնարավորություն տվեց ձեռք բերել ջերմային դիմադրություն 2 նմ հաստությամբ vdW հետերկառուցվածքում, որը համեմատելի է 2 նմ հաստությամբ SiO300 (սիլիկոնի երկօքսիդ) շերտի հետ:

Բացի այդ, vdW հետերոկառուցվածքների օգտագործումը հնարավորություն է տվել ատոմային մակարդակում վերահսկել ջերմային հատկությունները տարբեր ատոմային զանգվածի խտություններով և թրթռման ռեժիմներով տարասեռ XNUMXD միաշերտերի շերտավորման միջոցով:

Այսպիսով, եկեք չքաշենք կատվի բեղերը և սկսենք դիտարկել այս զարմանալի հետազոտության արդյունքները:

Ուսումնասիրության արդյունքները

Նախ եկեք ծանոթանանք այս հետազոտության մեջ օգտագործված vdW հետերոկառուցվածքների միկրոկառուցվածքային և օպտիկական բնութագրերին:

Պատկեր թիվ 1

Պատկերի վրա 1a ցույց է տալիս քառաշերտ հետերոկառուցվածքի խաչմերուկի դիագրամը, որը բաղկացած է (վերևից ներքև) գրաֆենից (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 և SiO2/Si ենթաշերտից: Բոլոր շերտերը միաժամանակ սկանավորելու համար օգտագործեք Ռաման լազեր* 532 նմ ալիքի երկարությամբ։

Ռաման լազեր* - լազերի տեսակ, որում լույսի ուժեղացման հիմնական մեխանիզմը Ռամանի ցրումն է:

Ռաման ցրվում է, իր հերթին, նյութի մոլեկուլների վրա օպտիկական ճառագայթման ոչ առաձգական ցրումն է, որն ուղեկցվում է ճառագայթման հաճախականության զգալի փոփոխությամբ։

Հետերոկառուցվածքների միկրոկառուցվածքային, ջերմային և էլեկտրական միատարրությունը հաստատելու համար օգտագործվել են մի քանի մեթոդներ՝ սկանավորող փոխանցման էլեկտրոնային մանրադիտակ (STEM), ֆոտոլյումինեսցենտային սպեկտրոսկոպիա (PL), կելվինի զոնդի մանրադիտակ (KPM), սկանավորող ջերմային մանրադիտակ (SThM), ինչպես նաև Raman սպեկտրոսկոպիա և ջերմաչափություն.

Изображение 1b ցույց է տալիս մեզ Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 հետերոկառուցվածքի Raman սպեկտրը SiO2/Si սուբստրատի վրա կարմիր կետով նշված վայրում: Այս սյուժեն ցույց է տալիս յուրաքանչյուր միաշերտի ստորագրությունը շերտերի զանգվածում, ինչպես նաև Si substrate-ի ստորագրությունը։

On 1c-1f Ցուցադրված են Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 հետերոկառուցվածքի մութ դաշտային STEM պատկերներ (1-ական թթ) և Gr/MoS2/WSe22 հետերոկառուցվածքներ (1d-1f) տարբեր վանդակավոր կողմնորոշումներով: STEM պատկերները ցույց են տալիս ատոմայինորեն փակ vdW բացերը՝ առանց որևէ աղտոտման, ինչը թույլ է տալիս այս հետերկառուցվածքների ընդհանուր հաստությունը լիովին տեսանելի լինել: Միջշերտային միացման առկայությունը հաստատվել է նաև մեծ սկանավորման տարածքներում՝ օգտագործելով ֆոտոլյումինեսցենտային (PL) սպեկտրոսկոպիա (1g) Հետերոկառուցվածքի ներսում առանձին շերտերի ֆոտոլյումինեսցենտ ազդանշանը զգալիորեն ճնշված է մեկուսացված միաշերտի ազդանշանի համեմատ: Դա բացատրվում է սերտ միջշերտային փոխազդեցության շնորհիվ միջշերտային լիցքի փոխանցման գործընթացով, որն էլ ավելի ուժեղ է դառնում կռումից հետո։

Պատկեր թիվ 2

Հետերոկառուցվածքի ատոմային հարթություններին ուղղահայաց ջերմային հոսքը չափելու համար շերտերի զանգվածը կառուցվել է չորս զոնդ էլեկտրական սարքերի տեսքով։ Գրաֆենի վերին շերտը շփվում է պալադիումի (Pd) էլեկտրոդների հետ և օգտագործվում է որպես ջեռուցիչ Raman ջերմաչափական չափումների համար։

Էլեկտրական ջեռուցման այս մեթոդը ապահովում է մուտքային հզորության ճշգրիտ քանակական հաշվարկ: Մեկ այլ հնարավոր ջեռուցման մեթոդ՝ օպտիկական, ավելի դժվար կլինի իրականացնել առանձին շերտերի կլանման գործակիցների անտեղյակության պատճառով:

On 2a ցույց է տալիս չորս զոնդով չափման շղթա, և 2b ցույց է տալիս փորձարկվող կառույցի վերին տեսքը: Ժամանակացույց 2-ական թթ ցույց է տալիս ջերմության փոխանցման չափված բնութագրերը երեք սարքերի համար, որոնցից մեկը պարունակում է միայն գրաֆեն, իսկ երկուսը՝ Gr/WSe22 և Gr/MoSe2/WSe22 շերտային զանգվածներ: Բոլոր տարբերակները ցուցադրում են գրաֆենի երկբևեռ վարքագիծը, որը կապված է ժապավենի բացակայության հետ:

Պարզվել է նաև, որ հոսանքի հաղորդունակությունը և տաքացումը տեղի են ունենում վերին շերտում (գրաֆեն), քանի որ դրա էլեկտրական հաղորդունակությունը մի քանի կարգով ավելի մեծ է, քան MoS2-ի և WSe22-ի:

Փորձարկված սարքերի միատարրությունը ցույց տալու համար չափումներ են կատարվել՝ օգտագործելով Kelvin probe microscopy (KPM) և սկանավորող ջերմային մանրադիտակ (SThM): Գծապատկերի վրա 2d KPM չափումները ցուցադրվում են՝ բացահայտելով ներուժի գծային բաշխումը: SThM վերլուծության արդյունքները ներկայացված են 2å. Այստեղ մենք տեսնում ենք էլեկտրական ջեռուցվող Gr/MoS2/WSe22 ալիքների քարտեզը, ինչպես նաև մակերևույթի ջեռուցման մեջ միատեսակության առկայությունը:

Վերևում նկարագրված սկանավորման մեթոդները, մասնավորապես՝ SThM-ը, հաստատեցին ուսումնասիրվող կառույցի միատարրությունը, այսինքն՝ դրա միատարրությունը ջերմաստիճանի առումով: Հաջորդ քայլը բաղկացուցիչ շերտերից յուրաքանչյուրի ջերմաստիճանի քանակականացումն էր՝ օգտագործելով Raman սպեկտրոսկոպիա (այսինքն՝ Raman սպեկտրոսկոպիա):

Բոլոր երեք սարքերը փորձարկվել են՝ յուրաքանչյուրը ~40 մկմ մակերեսով: Այս դեպքում ջեռուցիչի հզորությունը փոխվել է 2 մՎտ-ով, իսկ ներծծվող լազերային հզորությունը եղել է ~9 մկՎտ-ից ցածր՝ լազերային կետի մակերեսով ~ 5 մկմ0.5:

Պատկեր թիվ 3

Գծապատկերի վրա 3a Յուրաքանչյուր շերտի և ենթաշերտի ջերմաստիճանի (∆T) աճը տեսանելի է, քանի որ ջեռուցիչի հզորությունը Gr/MoS2/WSe22 հետերկառուցվածքում մեծանում է:

Յուրաքանչյուր նյութի (շերտի) համար գծային ֆունկցիայի թեքությունները ցույց են տալիս ջերմային դիմադրությունը (Rth=∆T/P) առանձին շերտի և ջերմատախտակի միջև։ Հաշվի առնելով տարածքի վրա ջեռուցման միասնական բաշխումը, ջերմային դիմադրությունները կարող են հեշտությամբ վերլուծվել ներքևից մինչև վերին շերտ, որի ընթացքում դրանց արժեքները նորմալացվում են ալիքի տարածքով (WL):

L-ն և W-ն ալիքի երկարությունն ու լայնությունն են, որոնք զգալիորեն ավելի մեծ են, քան SiO2 սուբստրատի հաստությունը և կողային ջերմային ջեռուցման երկարությունը, որը կազմում է ~0.1 մկմ:

Այսպիսով, մենք կարող ենք ստանալ Si substrate-ի ջերմային դիմադրության բանաձևը, որը կունենա հետևյալ տեսքը.

Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kՍի)

Այս իրավիճակում kSi ≈ 90 W m−1 K−1, որը ակնկալվող ջերմային հաղորդունակությունն է նման բարձր դոպինգային հիմքի համար:

Rth,WSe2 և Rth,Si միջև տարբերությունը 2 նմ հաստությամբ SiO100-ի և WSe2/SiO2 միջերեսի ջերմային սահմանային դիմադրության (TBR) գումարն է:

Վերոհիշյալ բոլոր ասպեկտները միասին հավաքելով՝ մենք կարող ենք հաստատել, որ Rth,MoS2 − Rth,WSe2=TBRMoS2/WSe2 և Rth,Gr−Rth,MoS2=TBRGr/MoS2: Հետևաբար, գրաֆիկից 3a հնարավոր է հանել TBR արժեքը WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 և Gr/MoS2 ինտերֆեյսներից յուրաքանչյուրի համար:

Այնուհետև գիտնականները համեմատել են բոլոր հետերոկառուցվածքների ընդհանուր ջերմային դիմադրությունը, որը չափվել է Ռամանի սպեկտրոսկոպիայի և ջերմային մանրադիտակի միջոցով (3b).

SiO2-ի վրա երկշերտ և եռաշերտ հետերոկառուցվածքները դրսևորեցին արդյունավետ ջերմային դիմադրություն 220-ից 280 մ2 Կ/ԳՎտ միջակայքում սենյակային ջերմաստիճանում, որը համարժեք է 2-ից 290 նմ հաստությամբ SiO360-ի ջերմային դիմադրությանը: Չնայած այն հանգամանքին, որ ուսումնասիրվող հետերոկառուցվածքների հաստությունը չի գերազանցում 2 նմ (1d-1f), սենյակային ջերմաստիճանում դրանց ջերմահաղորդականությունը 0.007-0.009 W m−1 K−1 է։

Պատկեր թիվ 4

Նկար 4-ը ցույց է տալիս բոլոր չորս կառույցների չափումները և դրանց միջերեսների ջերմային սահմանային հաղորդունակությունը (TBC), ինչը մեզ թույլ է տալիս գնահատել յուրաքանչյուր շերտի ազդեցության աստիճանը նախկինում չափված ջերմային դիմադրության վրա (TBC = 1 / TBR):

Հետազոտողները նշում են, որ սա առաջին անգամ TBC չափումն է առանձին միաշերտերի (2D/2D) միջև ատոմային սերտ միջերեսների համար, մասնավորապես՝ WSe2 և SiO2 միաշերտերի միջև:

Միաշերտ WSe2/SiO2 ինտերֆեյսի TBC-ն ավելի ցածր է, քան բազմաշերտ WSe2/SiO2 ինտերֆեյսը, ինչը զարմանալի չէ, քանի որ միաշերտը զգալիորեն ավելի քիչ ճկման ֆոնոնային ռեժիմներ ունի, որոնք հասանելի են փոխանցման համար: Պարզ ասած, 2D շերտերի միջերեսի TBC-ն ավելի ցածր է, քան 2D շերտի և 3D SiO2 սուբստրատի միջև եղած միջերեսի TBC-ն (4b).

Ուսումնասիրության նրբություններին ավելի մանրամասն ծանոթանալու համար խորհուրդ եմ տալիս նայել հայտնում են գիտնականները и Լրացուցիչ նյութեր նրան.

Վերջաբան

Այս հետազոտությունը, ինչպես պնդում են իրենք՝ գիտնականները, մեզ տալիս է գիտելիքներ, որոնք կարող են կիրառվել ատոմային ջերմային միջերեսների ներդրման մեջ։ Այս աշխատանքը ցույց տվեց ջերմամեկուսիչ մետանյութերի ստեղծման հնարավորությունը, որոնց հատկությունները բնության մեջ չեն հայտնաբերվել: Բացի այդ, ուսումնասիրությունը հաստատել է նաև նման կառույցների ջերմաստիճանի ճշգրիտ չափումներ իրականացնելու հնարավորությունը՝ չնայած շերտերի ատոմային մասշտաբին։

Վերևում նկարագրված հետերոկառուցվածքները կարող են հիմք դառնալ գերթեթև և կոմպակտ ջերմային «վահանների» համար, որոնք կարող են, օրինակ, հեռացնել ջերմությունը էլեկտրոնիկայի թեժ կետերից: Բացի այդ, այս տեխնոլոգիան կարող է կիրառվել ջերմաէլեկտրական գեներատորներում կամ ջերմային կառավարվող սարքերում՝ մեծացնելով դրանց արդյունավետությունը:

Այս ուսումնասիրությունը ևս մեկ անգամ հաստատում է, որ ժամանակակից գիտությունը լրջորեն հետաքրքրված է «մատնոցում արդյունավետության» սկզբունքով, որը չի կարելի հիմար գաղափար անվանել՝ հաշվի առնելով մոլորակի սահմանափակ ռեսուրսները և բոլոր տեսակի տեխնոլոգիական նորարարությունների պահանջարկի շարունակական աճը։

Շնորհակալություն կարդալու համար, մնացեք հետաքրքրասեր և լավ շաբաթ ունեցեք տղաներ: 🙂

Շնորհակալություն մեզ հետ մնալու համար: Ձեզ դուր են գալիս մեր հոդվածները: Ցանկանու՞մ եք տեսնել ավելի հետաքրքիր բովանդակություն: Աջակցեք մեզ՝ պատվիրելով կամ խորհուրդ տալով ընկերներին, 30% զեղչ Habr-ի օգտատերերի համար մուտքի մակարդակի սերվերների եզակի անալոգի վրա, որը ստեղծվել է մեր կողմից ձեզ համար. Ամբողջ ճշմարտությունը VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps 20 դոլարից կամ ինչպես կիսել սերվերը: (հասանելի է RAID1 և RAID10-ով, մինչև 24 միջուկով և մինչև 40 ԳԲ DDR4):

Dell R730xd 2 անգամ ավելի էժան? Միայն այստեղ 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 հեռուստացույց $199-ից Նիդեռլանդներում! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - $99-ից: Կարդացեք մասին Ինչպես կառուցել ենթակառուցվածքի կորպ. դաս՝ 730 եվրո արժողությամբ Dell R5xd E2650-4 v9000 սերվերների օգտագործմամբ մեկ կոպեկի համար:

Source: www.habr.com