Banyak gamer di seluruh dunia yang pernah mengalami era Xbox 360 sangat akrab dengan situasi ketika konsol mereka berubah menjadi penggorengan tempat mereka bisa menggoreng telur. Situasi menyedihkan serupa terjadi tidak hanya pada konsol game, tetapi juga pada ponsel, laptop, tablet, dan banyak lagi. Pada prinsipnya, hampir semua perangkat elektronik dapat mengalami kejutan termal, yang tidak hanya menyebabkan kegagalan dan membuat pemiliknya kesal, tetapi juga “ledakan buruk” pada baterai dan cedera serius. Hari ini kita akan berkenalan dengan sebuah penelitian di mana para ilmuwan dari Universitas Stanford, seperti Nick Fury dari komik, telah menciptakan perisai yang melindungi komponen elektronik yang peka terhadap panas agar tidak terlalu panas dan, sebagai hasilnya, mencegah kerusakannya. Bagaimana para ilmuwan berhasil menciptakan pelindung termal, apa saja komponen utamanya dan seberapa efektifnya? Kami mempelajari hal ini dan lebih banyak lagi dari laporan kelompok riset. Pergi.
Dasar penelitian
Masalah overheating telah diketahui sejak lama, dan para ilmuwan memecahkannya dengan berbagai cara. Beberapa yang paling populer adalah penggunaan kaca, plastik, dan bahkan lapisan udara, yang berfungsi sebagai semacam isolator radiasi termal. Dalam kenyataan modern, metode ini dapat ditingkatkan dengan mengurangi ketebalan lapisan pelindung menjadi beberapa atom tanpa kehilangan sifat isolasi termalnya. Hal itulah yang dilakukan para peneliti.
Tentu saja kita berbicara tentang material nano. Namun, penggunaannya dalam isolasi termal sebelumnya diperumit oleh fakta bahwa panjang gelombang pendingin (fonon*) jauh lebih pendek dibandingkan elektron atau foton.
Telepon* - kuasipartikel, yang merupakan kuantum gerak vibrasi atom kristal.
Selain itu, karena sifat bosonik fonon, tidak mungkin untuk mengendalikannya dengan tegangan (seperti yang dilakukan dengan pembawa muatan), yang umumnya mempersulit pengendalian perpindahan panas dalam padatan.
Sebelumnya, sifat termal padatan, seperti yang diingatkan oleh para peneliti, dikontrol melalui film nanolaminasi dan superlattice karena gangguan struktural dan antarmuka kepadatan tinggi, atau melalui kawat nano silikon dan germanium karena hamburan fonon yang kuat.
Di antara metode isolasi termal yang dijelaskan di atas, para ilmuwan dengan percaya diri siap untuk mengklasifikasikan bahan dua dimensi, yang ketebalannya tidak melebihi beberapa atom, sehingga mudah dikendalikan pada skala atom. Dalam studi mereka, mereka menggunakan van der Waals (vdW) perakitan lapisan 2D yang sangat tipis secara atom untuk mencapai ketahanan termal yang sangat tinggi di seluruh heterostrukturnya.
Pasukan Van der Waals* — gaya interaksi antarmolekul/interatomik dengan energi 10-20 kJ/mol.
Teknik baru ini memungkinkan untuk memperoleh ketahanan termal dalam heterostruktur vdW dengan ketebalan 2 nm, sebanding dengan lapisan SiO2 (silikon dioksida) dengan ketebalan 300 nm.
Selain itu, penggunaan heterostruktur vdW telah memungkinkan untuk mendapatkan kendali atas sifat termal pada tingkat atom melalui pelapisan lapisan tunggal XNUMXD heterogen dengan kepadatan massa atom dan mode getaran yang berbeda.
Jadi, jangan menarik kumis kucing dan mulai mempertimbangkan hasil penelitian luar biasa ini.
Hasil penelitian
Pertama-tama, mari kita kenali karakteristik mikrostruktur dan optik dari heterostruktur vdW yang digunakan dalam penelitian ini.
Gambar #1
Pada gambar 1a menunjukkan diagram penampang heterostruktur empat lapisan yang terdiri dari (dari atas ke bawah): graphene (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 dan substrat SiO2/Si. Untuk memindai semua lapisan secara bersamaan, gunakan Laser Raman* dengan panjang gelombang 532 nm.
Laser Raman* - sejenis laser yang mekanisme utama amplifikasi cahayanya adalah hamburan Raman.
Raman berhamburan, pada gilirannya, adalah hamburan radiasi optik yang tidak elastis pada molekul suatu zat, yang disertai dengan perubahan frekuensi radiasi yang signifikan.
Beberapa metode digunakan untuk mengkonfirmasi homogenitas mikrostruktur, termal dan listrik dari heterostruktur: pemindaian mikroskop elektron transmisi (STEM), spektroskopi fotoluminesensi (PL), mikroskop probe Kelvin (KPM), pemindaian mikroskop termal (SThM), serta spektroskopi Raman dan termometri .
Изображение 1b menunjukkan kepada kita spektrum Raman dari heterostruktur Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 pada substrat SiO2/Si di lokasi yang ditandai dengan titik merah. Plot ini menunjukkan tanda tangan setiap lapisan tunggal dalam susunan lapisan, serta tanda tangan substrat Si.
Pada 1c-1f gambar STEM bidang gelap dari heterostruktur Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 ditampilkan (1s) dan heterostruktur Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) dengan orientasi kisi yang berbeda. Gambar STEM menunjukkan celah vdW yang tertutup secara atom tanpa kontaminasi apa pun, sehingga ketebalan keseluruhan struktur heterostruktur ini dapat terlihat sepenuhnya. Kehadiran kopling antar lapisan juga dikonfirmasi pada area pemindaian yang luas menggunakan spektroskopi photoluminescence (PL) (1g). Sinyal fotoluminesen dari masing-masing lapisan di dalam heterostruktur ditekan secara signifikan dibandingkan dengan sinyal dari lapisan tunggal yang terisolasi. Hal ini dijelaskan oleh proses transfer muatan antarlapisan akibat interaksi antarlapisan yang erat, yang menjadi lebih kuat setelah anil.
Gambar #2
Untuk mengukur aliran panas yang tegak lurus terhadap bidang atom dari heterostruktur, susunan lapisan disusun dalam bentuk perangkat listrik empat probe. Lapisan atas graphene menghubungi elektroda paladium (Pd) dan digunakan sebagai pemanas untuk pengukuran termometri Raman.
Metode pemanasan listrik ini memberikan kuantifikasi daya masukan yang tepat. Metode pemanasan lain yang mungkin, optik, akan lebih sulit diterapkan karena ketidaktahuan tentang koefisien penyerapan masing-masing lapisan.
Pada 2a menunjukkan rangkaian pengukuran empat probe, dan 2b menunjukkan tampilan atas dari struktur yang sedang diuji. Jadwal 2s menunjukkan karakteristik perpindahan panas terukur untuk tiga perangkat, satu hanya berisi graphene dan dua berisi susunan lapisan Gr/WSe22 dan Gr/MoSe2/WSe22. Semua varian menunjukkan perilaku ambipolar graphene, yang dikaitkan dengan tidak adanya celah pita.
Ditemukan juga bahwa konduksi arus dan pemanasan terjadi di lapisan atas (graphene), karena konduktivitas listriknya beberapa kali lipat lebih tinggi dibandingkan MoS2 dan WSe22.
Untuk menunjukkan homogenitas perangkat yang diuji, pengukuran dilakukan menggunakan Kelvin probe microscopy (KPM) dan scanning thermal microscopy (SThM). Di grafik 2d Pengukuran KPM ditampilkan mengungkapkan distribusi potensial linier. Hasil analisis SThM ditunjukkan pada 2. Di sini kita melihat peta saluran Gr/MoS2/WSe22 yang dipanaskan secara listrik, serta adanya keseragaman dalam pemanasan permukaan.
Teknik pemindaian yang dijelaskan di atas, khususnya SThM, mengkonfirmasi homogenitas struktur yang diteliti, yaitu homogenitasnya, dalam hal suhu. Langkah selanjutnya adalah mengukur suhu masing-masing lapisan penyusunnya menggunakan spektroskopi Raman (yaitu spektroskopi Raman).
Ketiga perangkat diuji, masing-masing dengan luas ~40 µm2. Dalam hal ini, daya pemanas berubah sebesar 9 mW, dan daya laser yang diserap berada di bawah ~5 μW dengan area titik laser ~0.5 μm2.
Gambar #3
Di grafik 3a peningkatan suhu (∆T) setiap lapisan dan substrat terlihat seiring dengan meningkatnya daya pemanas pada heterostruktur Gr/MoS2/WSe22.
Kemiringan fungsi linier untuk setiap material (lapisan) menunjukkan ketahanan termal (Rth=∆T/P) antara masing-masing lapisan dan heat sink. Mengingat distribusi pemanasan yang merata di seluruh area, resistansi termal dapat dengan mudah dianalisis dari lapisan bawah ke atas, di mana nilainya dinormalisasi dengan luas saluran (WL).
L dan W adalah panjang dan lebar saluran, yang secara signifikan lebih besar daripada ketebalan substrat SiO2 dan panjang pemanasan termal lateral, yaitu ~0.1 μm.
Oleh karena itu, kita dapat memperoleh rumus ketahanan termal substrat Si, yang akan terlihat seperti ini:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kYa)
Dalam situasi ini kSi ≈ 90 W m−1 K−1, yang merupakan konduktivitas termal yang diharapkan dari substrat dengan doping tinggi.
Perbedaan antara Rth,WSe2 dan Rth,Si adalah jumlah resistansi termal SiO2 setebal 100 nm dan resistansi batas termal (TBR) antarmuka WSe2/SiO2.
Dengan menggabungkan semua aspek di atas, kita dapat menetapkan bahwa Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, dan Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Oleh karena itu, dari grafik 3a dimungkinkan untuk mengekstrak nilai TBR untuk masing-masing antarmuka WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 dan Gr/MoS2.
Selanjutnya, para ilmuwan membandingkan ketahanan termal total semua heterostruktur, diukur menggunakan spektroskopi Raman dan mikroskop termal (3b).
Heterostruktur bilayer dan trilayer pada SiO2 menunjukkan ketahanan termal efektif dalam kisaran 220 hingga 280 m2 K/GW pada suhu kamar, yang setara dengan ketahanan termal SiO2 dengan ketebalan 290 hingga 360 nm. Terlepas dari kenyataan bahwa ketebalan heterostruktur yang diteliti tidak melebihi 2 nm (1d-1f), konduktivitas termalnya adalah 0.007-0.009 W m−1 K−1 pada suhu kamar.
Gambar #4
Gambar 4 menunjukkan pengukuran keempat struktur dan konduktivitas batas termal (TBC) antarmukanya, yang memungkinkan kita memperkirakan tingkat pengaruh setiap lapisan terhadap ketahanan termal yang diukur sebelumnya (TBC = 1 / TBR).
Para peneliti mencatat bahwa ini adalah pengukuran TBC pertama untuk antarmuka atom dekat antara lapisan tunggal yang terpisah (2D/2D), khususnya antara lapisan tunggal WSe2 dan SiO2.
TBC antarmuka WSe2/SiO2 monolayer lebih rendah dibandingkan antarmuka WSe2/SiO2 multilayer, yang tidak mengherankan karena monolayer memiliki mode fonon lentur yang tersedia untuk transmisi secara signifikan lebih sedikit. Sederhananya, TBC antarmuka antar lapisan 2D lebih rendah dibandingkan TBC antarmuka antara lapisan 2D dan substrat SiO3 2D (4b).
Untuk kenalan yang lebih detail dengan nuansa penelitian, saya sarankan untuk melihatnya и untuk dia.
Bagian terakhir dr suatu karya sastra
Penelitian ini, seperti yang diklaim oleh para ilmuwan, memberi kita pengetahuan yang dapat diterapkan dalam implementasi antarmuka termal atom. Karya ini menunjukkan kemungkinan menciptakan metamaterial penyekat panas yang sifatnya tidak ditemukan di alam. Selain itu, penelitian ini juga mengkonfirmasi kemungkinan melakukan pengukuran suhu yang tepat pada struktur tersebut, meskipun lapisannya berskala atom.
Heterostruktur yang dijelaskan di atas dapat menjadi dasar “perisai” termal yang sangat ringan dan kompak, yang mampu, misalnya, menghilangkan panas dari titik panas pada peralatan elektronik. Selain itu, teknologi ini dapat digunakan pada generator termoelektrik atau perangkat yang dikontrol secara termal, sehingga meningkatkan kinerjanya.
Studi ini sekali lagi menegaskan bahwa ilmu pengetahuan modern sangat tertarik pada prinsip “efisiensi dalam bidal,” yang tidak dapat disebut sebagai ide bodoh, mengingat terbatasnya sumber daya di planet ini dan terus meningkatnya permintaan akan semua jenis inovasi teknologi.
Terima kasih atas perhatiannya, tetap penasaran dan semoga minggumu menyenangkan semuanya! 🙂
Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda menyukai artikel kami? Ingin melihat konten yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman, Diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server level awal, yang kami ciptakan untuk Anda: (tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya disini di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai $99! Membaca tentang
Sumber: www.habr.com