Margir leikjaspilarar um allan heim sem upplifðu Xbox 360 tímabilið kannast vel við aðstæður þegar leikjatölvan þeirra breyttist í steikarpönnu sem þeir gátu steikt egg á. Svipuð dapurleg staða á sér stað ekki aðeins með leikjatölvur, heldur einnig með síma, fartölvur, spjaldtölvur og margt fleira. Í grundvallaratriðum getur næstum hvaða rafeindatæki orðið fyrir hitalost, sem getur ekki aðeins leitt til bilunar þess og uppnámi eiganda þess, heldur einnig til „slæma uppsveiflu“ rafhlöðunnar og alvarlegra meiðsla. Í dag kynnumst við rannsókn þar sem vísindamenn frá Stanford háskóla, eins og Nick Fury úr myndasögunum, hafa búið til skjöld sem verndar hitaviðkvæma rafeindahluta frá ofhitnun og kemur þar af leiðandi í veg fyrir niðurbrot þeirra. Hvernig tókst vísindamönnum að búa til varmaskjöld, hverjir eru helstu þættir hans og hversu áhrifarík er hann? Við lærum um þetta og fleira í skýrslu rannsóknarhópsins. Farðu.
Rannsóknargrundvöllur
Vandamálið við ofhitnun hefur verið þekkt í mjög langan tíma og vísindamenn leysa það á margvíslegan hátt. Sumir af þeim vinsælustu eru notkun glers, plasts og jafnvel loftlaga, sem þjóna sem eins konar einangrunarefni varmageislunar. Í nútíma veruleika er hægt að bæta þessa aðferð með því að minnka þykkt hlífðarlagsins í nokkur atóm án þess að missa hitaeinangrandi eiginleika þess. Það er nákvæmlega það sem rannsakendur gerðu.
Við erum auðvitað að tala um nanóefni. Hins vegar var notkun þeirra í hitaeinangrun áður flókin vegna þess að bylgjulengd kælivökva (hljóðnemar*) er verulega styttri en rafeindir eða ljóseindir.
Phonon* - hálfparticle, sem er skammtur af titringshreyfingu kristalsatóma.
Þar að auki, vegna bósónísks eðlis hljóðnema, er ómögulegt að stjórna þeim með spennu (eins og gert er með hleðslubera), sem gerir það almennt erfitt að stjórna varmaflutningi í föstum efnum.
Áður fyrr var hitaeiginleikum fastra efna, eins og rannsakendur minna okkur á, stjórnað með nanólaminatfilmum og ofurgrindum vegna röskun á burðarvirki og háþéttni tengi, eða í gegnum sílikon og germaníum nanóvíra vegna sterkrar fónóndreifingar.
Til fjölda varmaeinangrunaraðferða sem lýst er hér að ofan, eru vísindamenn fullvissir tilbúnir til að eigna tvívíð efni, sem þykkt er ekki meiri en nokkur atóm, sem gerir þeim auðvelt að stjórna á atómkvarða. Í rannsókn sinni notuðu þeir van der Waals (vdW) samsetning atómþunnra tvívíddarlaga til að ná mjög mikilli hitauppstreymi í gegnum ólíkar uppbyggingu þeirra.
Van der Waals sveitir* — víxlverkunarkraftar milli sameinda/atóma með orku sem er 10-20 kJ/mól.
Nýja tæknin gerði það að verkum að hægt var að fá hitauppstreymi í 2 nm þykkri vdW ólíkri uppbyggingu sambærilegum og í 2 nm þykku SiO300 (kísildíoxíð) lagi.
Að auki hefur notkun vdW heterostructures gert það mögulegt að ná stjórn á varmaeiginleikum á atómstigi með lagskiptingu misleitra XNUMXD einlaga með mismunandi atómmassaþéttleika og titringsham.
Svo, við skulum ekki toga í hársvörð kattarins og við skulum byrja að íhuga niðurstöður þessarar ótrúlegu rannsókna.
Niðurstöður rannsókna
Fyrst af öllu skulum við kynnast örbyggingu og sjónrænum eiginleikum vdW heterostructures sem notuð eru í þessari rannsókn.
Mynd #1
Á myndinni 1 sýnir þversniðsmynd af fjögurra laga misskipting sem samanstendur af (frá toppi og niður): grafeni (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 og SiO2/Si hvarfefni. Til að skanna öll lög samtímis skaltu nota Raman leysir* með bylgjulengd 532 nm.
Raman leysir* - tegund leysis þar sem aðalbúnaður ljósmögnunar er Raman-dreifing.
Raman tvístrast, aftur á móti, er óteygjanleg dreifing ljósgeislunar á sameindir efnis, sem fylgir veruleg breyting á tíðni geislunarinnar.
Nokkrar aðferðir voru notaðar til að staðfesta smábyggingu, hitauppstreymi og rafmagns einsleitni heterobygginga: skönnun rafeindasmásjár (STEM), ljósljómunarrófsgreiningu (PL), Kelvin probe smásjárskoðun (KPM), skanna hitasmásjár (SThM), auk Raman litrófsgreiningar og hitamæling.
Изображение 1b sýnir okkur Raman litróf Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 misskipunar á SiO2/Si hvarfefni á þeim stað sem er merktur með rauðum punkti. Þessi samsæri sýnir undirskrift hvers einlags í lagafylkingunni, sem og undirskrift Si undirlagsins.
Á 1c-1f dökksviðs STEM myndir af Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 ólíkri uppbyggingu eru sýndar (1) og Gr/MoS2/WSe22 heterobyggingar (1d-1f) með mismunandi grindarstefnu. STEM myndir sýna atómfræðilega lokuð vdW eyður án nokkurrar mengunar, sem gerir heildarþykkt þessara misskiptinga kleift að vera að fullu sýnileg. Tilvist millilaga tengingar var einnig staðfest á stórum skönnunarsvæðum með ljósljómun (PL) litrófsgreiningu (1g). Ljósljósmerki einstakra laga inni í misskiptingunni er verulega bælt samanborið við merki einangraðs einlags. Þetta skýrist af ferli hleðsluflutnings milli lags vegna náins millilags samspils, sem verður enn sterkara eftir glæðingu.
Mynd #2
Til þess að mæla varmaflæðið hornrétt á atómflöt misskiptingarinnar, var lagaskipan byggt upp í formi fjögurra rannsaka raftækja. Efsta lagið af grafen snertir palladíum (Pd) rafskaut og er notað sem hitari fyrir Raman hitamælingar.
Þessi rafhitunaraðferð veitir nákvæma magngreiningu á inntaksafli. Önnur möguleg hitunaraðferð, ljósfræðileg, væri erfiðari í framkvæmd vegna vanþekkingar á frásogsstuðlum einstakra laga.
Á 2 sýnir fjögurra rannsaka mælingarrás, og 2b sýnir ofan á mannvirkið sem verið er að prófa. Dagskrá 2 sýnir mælda hitaflutningseiginleika fyrir þrjú tæki, eitt sem inniheldur aðeins grafen og tvö sem inniheldur Gr/WSe22 og Gr/MoSe2/WSe22 laga fylki. Öll afbrigði sýna tvískauta hegðun grafens, sem tengist fjarveru bandabils.
Einnig kom í ljós að straumleiðni og hitun eiga sér stað í efra laginu (grafen), þar sem rafleiðni þess er nokkrum stærðargráðum hærri en MoS2 og WSe22.
Til að sýna fram á einsleitni tækjanna sem prófuð voru voru mælingar teknar með Kelvin probe smásjá (KPM) og skanna hitasmásjá (SThM). Á töflunni 2d KPM mælingar eru sýndar sem sýna línulega mögulega dreifingu. Niðurstöður SThM greiningarinnar eru sýndar í 2. Hér sjáum við kort af rafhituðum Gr/MoS2/WSe22 rásum, auk þess að vera til staðar einsleitni í yfirborðshitun.
Skönnunaraðferðirnar sem lýst er hér að ofan, einkum SThM, staðfestu einsleitni byggingarinnar sem verið er að rannsaka, það er einsleitni hennar, hvað varðar hitastig. Næsta skref var að mæla hitastig hvers efnislaga með Raman litrófsgreiningu (þ.e. Raman litrófsgreiningu).
Öll þrjú tækin voru prófuð, hvert með flatarmáli ~40 µm2. Í þessu tilviki breyttist hitaraaflið um 9 mW og frásogað leysirafl var undir ~5 μW með leysiblettflatarmál ~0.5 μm2.
Mynd #3
Á töflunni 3 hækkun á hitastigi (∆T) hvers lags og undirlags er sýnileg eftir því sem hitaafl í Gr/MoS2/WSe22 ólíku uppbyggingunni eykst.
Hallar línulegu fallsins fyrir hvert efni (lag) gefa til kynna hitauppstreymi (Rth=∆T/P) milli einstaks lags og hitaupptöku. Miðað við samræmda dreifingu upphitunar yfir svæðið er auðvelt að greina hitauppstreymi frá botni til efsta lagsins, þar sem gildi þeirra eru staðlað með rássvæðinu (WL).
L og W eru lengd og breidd rásarinnar, sem eru verulega meiri en þykkt SiO2 undirlagsins og hliðarhitunarlengdin, sem er ~0.1 μm.
Þess vegna getum við fundið formúluna fyrir hitaþol Si hvarfefnisins, sem mun líta svona út:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
Í þessari stöðu kSi ≈ 90 W m−1 K−1, sem er væntanleg varmaleiðni slíks mjög dópaðs undirlags.
Munurinn á Rth,WSe2 og Rth,Si er summan af hitauppstreymi 2 nm þykkt SiO100 og hitamarksviðnám (TBR) WSe2/SiO2 tengisins.
Með því að setja alla ofangreinda þætti saman getum við komist að því að Rth,MoS2 − Rth, WSe2 = TBRMoS2/WSe2, og Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Því frá línuritinu 3 það er hægt að draga út TBR gildið fyrir hvert WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 og Gr/MoS2 tengi.
Því næst báru vísindamennirnir saman heildarhitaviðnám allra misskiptinga, mæld með Raman litrófsgreiningu og hitasmásjárgreiningu (3b).
Tvílaga og þrílaga heterostructures á SiO2 sýndu virka hitaþol á bilinu 220 til 280 m2 K/GW við stofuhita, sem jafngildir hitauppstreymi SiO2 með þykkt 290 til 360 nm. Þrátt fyrir þá staðreynd að þykkt misskiptinganna sem verið er að rannsaka fari ekki yfir 2 nm (1d-1f), varmaleiðni þeirra er 0.007-0.009 W m−1 K−1 við stofuhita.
Mynd #4
Mynd 4 sýnir mælingar á öllum fjórum mannvirkjum og hitaskilaleiðni (TBC) á viðmótum þeirra, sem gerir okkur kleift að meta hversu mikil áhrif hvers lags hefur á áður mælda hitaviðnám (TBC = 1 / TBR).
Rannsakendur taka fram að þetta er fyrsta TBC mælingin fyrir atómfræðilega náin tengi milli aðskildra einlaga (2D/2D), sérstaklega á milli WSe2 og SiO2 einlaga.
TBC einlags WSe2/SiO2 viðmóts er lægra en marglaga WSe2/SiO2 viðmóts, sem kemur ekki á óvart þar sem einlagið hefur umtalsvert færri beygjuhljóðstillingar tiltækar fyrir sendingu. Einfaldlega sagt, TBC viðmótsins milli 2D laga er lægra en TBC viðmótsins milli 2D lagsins og 3D SiO2 hvarfefnisins (4b).
Fyrir ítarlegri kynningu á blæbrigðum rannsóknarinnar mæli ég með að skoða и til hans.
Eftirmáli
Þessar rannsóknir, eins og vísindamennirnir sjálfir halda fram, gefa okkur þekkingu sem hægt er að beita við útfærslu á atómvarmaskilum. Þessi vinna sýndi möguleika á að búa til hitaeinangrandi metaefni sem eiginleikar þeirra finnast ekki í náttúrunni. Að auki staðfesti rannsóknin einnig möguleikann á að framkvæma nákvæmar hitamælingar á slíkum mannvirkjum, þrátt fyrir atómskala laganna.
Misskiptingin sem lýst er hér að ofan getur orðið grunnur að ofurléttum og fyrirferðarlítilli hitauppstreymi „skjöldu“, sem geta til dæmis fjarlægt hita frá heitum reitum í rafeindatækni. Að auki er hægt að nota þessa tækni í varma rafala eða hitastýrðum tækjum og auka afköst þeirra.
Þessi rannsókn staðfestir enn og aftur að nútíma vísindi hafa mikinn áhuga á meginreglunni um „hagkvæmni í fingurbólinu,“ sem ekki er hægt að kalla heimskulega hugmynd, í ljósi takmarkaðra auðlinda plánetunnar og stöðugrar vaxtar í eftirspurn eftir alls kyns tækninýjungum.
Þakka þér fyrir athyglina, vertu forvitin og eigið frábæra viku allir! 🙂
Þakka þér fyrir að vera hjá okkur. Líkar þér við greinarnar okkar? Viltu sjá meira áhugavert efni? Styðjið okkur með því að leggja inn pöntun eða mæla með því við vini, 30% afsláttur fyrir Habr notendur á einstökum hliðstæðum upphafsþjónum, sem var fundið upp af okkur fyrir þig: (fáanlegt með RAID1 og RAID10, allt að 24 kjarna og allt að 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 sinnum ódýrari? Aðeins hér í Hollandi! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - frá $99! Lestu um
Heimild: www.habr.com