Molti giocatori di tutto il mondo che hanno vissuto l'era Xbox 360 conoscono molto bene la situazione in cui la loro console si è trasformata in una padella su cui friggere le uova. Una situazione triste simile si verifica non solo con le console di gioco, ma anche con telefoni, laptop, tablet e molto altro. In linea di principio, quasi tutti i dispositivi elettronici possono subire uno shock termico, che può portare non solo al guasto e al turbamento del suo proprietario, ma anche al "brutto boom" della batteria e a gravi lesioni. Oggi faremo conoscenza con uno studio in cui gli scienziati dell'Università di Stanford, come Nick Fury dei fumetti, hanno creato uno scudo che protegge le parti elettroniche sensibili al calore dal surriscaldamento e, di conseguenza, ne previene la rottura. Come sono riusciti gli scienziati a creare uno scudo termico, quali sono i suoi componenti principali e quanto è efficace? Questo e altro apprendiamo dal rapporto del gruppo di ricerca. Andare.
Base di ricerca
Il problema del surriscaldamento è noto da molto tempo e gli scienziati lo risolvono in vari modi. Alcuni dei più popolari sono l'uso di vetro, plastica e persino strati d'aria, che fungono da sorta di isolanti della radiazione termica. Nelle realtà moderne, questo metodo può essere migliorato riducendo lo spessore dello strato protettivo a diversi atomi senza perdere le sue proprietà di isolamento termico. Questo è esattamente ciò che hanno fatto i ricercatori.
Stiamo ovviamente parlando di nanomateriali. Tuttavia, il loro utilizzo nell'isolamento termico era precedentemente complicato dal fatto che la lunghezza d'onda dei refrigeranti (fononi*) è significativamente più corto di quello degli elettroni o dei fotoni.
Fonone* - una quasiparticella, che è un quanto del movimento vibrazionale degli atomi cristallini.
Inoltre, a causa della natura bosonica dei fononi, è impossibile controllarli mediante la tensione (come avviene con i portatori di carica), il che generalmente rende difficile il controllo del trasferimento di calore nei solidi.
In precedenza, le proprietà termiche dei solidi, come ricordano i ricercatori, erano controllate attraverso film di nanolaminati e superreticoli a causa del disordine strutturale e delle interfacce ad alta densità, o attraverso nanofili di silicio e germanio a causa della forte diffusione di fononi.
A una serie di metodi di isolamento termico sopra descritti, gli scienziati sono pronti con sicurezza ad attribuire materiali bidimensionali, il cui spessore non supera diversi atomi, il che li rende facili da controllare su scala atomica. Nel loro studio hanno usato van der Waals (vdW) assemblaggio di strati 2D atomicamente sottili per ottenere una resistenza termica molto elevata in tutta la loro eterostruttura.
Forze di Van der Waals* — forze di interazione intermolecolari/interatomiche con un'energia di 10-20 kJ/mol.
La nuova tecnica ha permesso di ottenere una resistenza termica in un'eterostruttura vdW di 2 nm di spessore paragonabile a quella di uno strato di SiO2 (biossido di silicio) di 300 nm di spessore.
Inoltre, l'uso di eterostrutture vdW ha permesso di ottenere il controllo sulle proprietà termiche a livello atomico attraverso la stratificazione di monostrati XNUMXD eterogenei con diverse densità di massa atomica e modalità vibrazionali.
Allora non tiriamo i baffi al gatto e cominciamo a considerare i risultati di questa sorprendente ricerca.
Risultati dello studio
Prima di tutto, conosciamo le caratteristiche microstrutturali e ottiche delle eterostrutture vdW utilizzate in questo studio.
Immagine n. 1
Sull'immagine 1a mostra un diagramma in sezione trasversale di un'eterostruttura a quattro strati composta da (dall'alto verso il basso): grafene (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 e un substrato SiO2/Si. Per scansionare tutti i livelli contemporaneamente, utilizzare Laser Raman* con una lunghezza d'onda di 532 nm.
Laser Raman* - un tipo di laser in cui il principale meccanismo di amplificazione della luce è la diffusione Raman.
Diffusione Raman, a sua volta, è la diffusione anelastica della radiazione ottica sulle molecole di una sostanza, che è accompagnata da un cambiamento significativo nella frequenza della radiazione.
Sono stati utilizzati diversi metodi per confermare l'omogeneità microstrutturale, termica ed elettrica delle eterostrutture: microscopia elettronica a trasmissione a scansione (STEM), spettroscopia a fotoluminescenza (PL), microscopia con sonda Kelvin (KPM), microscopia termica a scansione (SThM), nonché spettroscopia Raman e termometria.
immagine 1b ci mostra lo spettro Raman di un'eterostruttura Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 su un substrato SiO2/Si nella posizione contrassegnata da un punto rosso. Questo grafico mostra la firma di ciascun monostrato nella matrice di strati, nonché la firma del substrato di Si.
Su 1c-1f Sono mostrate immagini STEM in campo scuro dell'eterostruttura Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 (1s) ed eterostrutture Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) con diversi orientamenti del reticolo. Le immagini STEM mostrano lacune vdW atomicamente vicine senza alcuna contaminazione, consentendo di rendere completamente visibile lo spessore complessivo di queste eterostrutture. La presenza di accoppiamento interstrato è stata confermata anche su ampie aree di scansione mediante spettroscopia a fotoluminescenza (PL) (1g). Il segnale fotoluminescente dei singoli strati all'interno dell'eterostruttura viene significativamente soppresso rispetto al segnale di un monostrato isolato. Ciò è spiegato dal processo di trasferimento di carica tra gli strati dovuto alla stretta interazione tra gli strati, che diventa ancora più forte dopo la ricottura.
Immagine n. 2
Per misurare il flusso di calore perpendicolare ai piani atomici dell'eterostruttura, la serie di strati è stata strutturata sotto forma di dispositivi elettrici a quattro sonde. Lo strato superiore di grafene entra in contatto con gli elettrodi di palladio (Pd) e viene utilizzato come riscaldatore per le misurazioni della termometria Raman.
Questo metodo di riscaldamento elettrico fornisce una quantificazione precisa della potenza in ingresso. Un altro possibile metodo di riscaldamento, quello ottico, sarebbe più difficile da implementare a causa dell’ignoranza dei coefficienti di assorbimento dei singoli strati.
Su 2a mostra un circuito di misurazione a quattro sonde e 2b mostra una vista dall'alto della struttura sottoposta a test. Programma 2s mostra le caratteristiche di trasferimento del calore misurate per tre dispositivi, uno contenente solo grafene e due contenenti matrici di strati Gr/WSe22 e Gr/MoSe2/WSe22. Tutte le varianti dimostrano un comportamento ambipolare del grafene, associato all'assenza di un gap di banda.
È stato inoltre riscontrato che la conduzione di corrente e il riscaldamento avvengono nello strato superiore (grafene), poiché la sua conduttività elettrica è di diversi ordini di grandezza superiore a quella di MoS2 e WSe22.
Per dimostrare l'omogeneità dei dispositivi testati, le misurazioni sono state effettuate utilizzando la microscopia con sonda Kelvin (KPM) e la microscopia termica a scansione (SThM). Sul grafico 2d Vengono visualizzate le misurazioni KPM rivelando la distribuzione del potenziale lineare. I risultati dell'analisi SThM sono mostrati in 2е. Qui vediamo una mappa dei canali Gr/MoS2/WSe22 riscaldati elettricamente, nonché la presenza di uniformità nel riscaldamento superficiale.
Le tecniche di scansione sopra descritte, in particolare SThM, hanno confermato l'omogeneità della struttura in studio, cioè la sua omogeneità, in termini di temperature. Il passo successivo è stato quantificare la temperatura di ciascuno degli strati costituenti utilizzando la spettroscopia Raman (ovvero, spettroscopia Raman).
Sono stati testati tutti e tre i dispositivi, ciascuno con un'area di ~40 µm2. In questo caso, la potenza del riscaldatore è cambiata di 9 mW e la potenza del laser assorbita era inferiore a ~5 μW con un’area del punto laser di ~0.5 μm2.
Immagine n. 3
Sul grafico 3a un aumento della temperatura (∆T) di ciascuno strato e substrato è visibile all'aumentare della potenza riscaldante nell'eterostruttura Gr/MoS2/WSe22.
Le pendenze della funzione lineare per ciascun materiale (strato) indicano la resistenza termica (Rth=∆T/P) tra il singolo strato e il dissipatore di calore. Data la distribuzione uniforme del riscaldamento sull'area, le resistenze termiche possono essere facilmente analizzate dallo strato inferiore a quello superiore, durante il quale i loro valori sono normalizzati dall'area del canale (WL).
L e W sono la lunghezza e la larghezza del canale, che sono significativamente maggiori dello spessore del substrato SiO2 e della lunghezza del riscaldamento termico laterale, che è ~0.1 μm.
Pertanto, possiamo ricavare la formula per la resistenza termica del substrato di Si, che sarà simile a questa:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2ksi)
In questa situazione kSi ≈ 90 W m−1 K−1, che è la conduttività termica prevista per un substrato così altamente drogato.
La differenza tra Rth,WSe2 e Rth,Si è la somma della resistenza termica di SiO2 spesso 100 nm e della resistenza al limite termico (TBR) dell'interfaccia WSe2/SiO2.
Mettendo insieme tutti gli aspetti sopra menzionati, possiamo stabilire che Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, e Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Pertanto, dal grafico 3a è possibile estrarre il valore TBR per ciascuna delle interfacce WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 e Gr/MoS2.
Successivamente, gli scienziati hanno confrontato la resistenza termica totale di tutte le eterostrutture, misurata utilizzando la spettroscopia Raman e la microscopia termica (3b).
Le eterostrutture a doppio e tristrato su SiO2 hanno mostrato una resistenza termica effettiva nell'intervallo da 220 a 280 m2 K/GW a temperatura ambiente, che è equivalente alla resistenza termica di SiO2 con uno spessore da 290 a 360 nm. Nonostante lo spessore delle eterostrutture oggetto di studio non superi i 2 nm (1d-1f), la loro conduttività termica è 0.007-0.009 W m−1 K−1 a temperatura ambiente.
Immagine n. 4
L'immagine 4 mostra le misurazioni di tutte e quattro le strutture e la conducibilità termica del confine (TBC) delle loro interfacce, che ci consente di valutare il grado di influenza di ciascuno strato sulla resistenza termica precedentemente misurata (TBC = 1 / TBR).
I ricercatori notano che questa è la prima misurazione TBC in assoluto per interfacce atomicamente vicine tra monostrati separati (2D/2D), in particolare tra monostrati WSe2 e SiO2.
Il TBC di un'interfaccia WSe2/SiO2 monostrato è inferiore a quello di un'interfaccia WSe2/SiO2 multistrato, il che non sorprende poiché il monostrato ha significativamente meno modi fononici di piegatura disponibili per la trasmissione. In poche parole, il TBC dell'interfaccia tra gli strati 2D è inferiore al TBC dell'interfaccia tra lo strato 2D e il substrato 3D SiO2 (4b).
Per una conoscenza più dettagliata delle sfumature dello studio, consiglio di guardare и a lui.
Finale
Questa ricerca, come sostengono gli stessi scienziati, ci fornisce conoscenze che possono essere applicate nella realizzazione di interfacce termiche atomiche. Questo lavoro ha mostrato la possibilità di creare metamateriali termoisolanti le cui proprietà non si trovano in natura. Inoltre, lo studio ha confermato anche la possibilità di effettuare misurazioni precise della temperatura di tali strutture, nonostante la scala atomica degli strati.
Le eterostrutture sopra descritte possono diventare la base per “scudi termici” ultraleggeri e compatti, in grado, ad esempio, di rimuovere il calore dai punti caldi nell’elettronica. Inoltre, questa tecnologia può essere utilizzata nei generatori termoelettrici o nei dispositivi a controllo termico, aumentandone le prestazioni.
Questo studio conferma ancora una volta che la scienza moderna è seriamente interessata al principio dell’“efficienza in un ditale”, che non può essere definita un’idea stupida, date le risorse limitate del pianeta e la continua crescita della domanda di tutti i tipi di innovazioni tecnologiche.
Grazie per l'attenzione, rimanete curiosi e buona settimana a tutti! 🙂
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Fonte: habr.com