למה כרית חימום אם יש לך מחשב נייד: מחקר של התנגדות תרמית ברמה האטומית

גיימרים רבים ברחבי העולם שחוו את עידן ה-Xbox 360 מכירים היטב את המצב שבו הקונסולה שלהם הפכה למחבת שעליה יכלו לטגן ביצים. מצב עצוב דומה מתרחש לא רק עם קונסולות משחקים, אלא גם עם טלפונים, מחשבים ניידים, טאבלטים ועוד הרבה יותר. באופן עקרוני, כמעט כל מכשיר אלקטרוני יכול לחוות הלם תרמי, מה שעלול להוביל לא רק לכישלון ולעצבנות של בעליו, אלא גם ל"בום רע" של הסוללה ולפציעה חמורה. היום נתוודע למחקר שבו מדענים מאוניברסיטת סטנפורד, כמו ניק פיורי מהקומיקס, יצרו מגן שמגן על חלקים אלקטרוניים רגישים לחום מפני התחממות יתר וכתוצאה מכך מונע את התמוטטותם. כיצד הצליחו מדענים ליצור מגן תרמי, מהם מרכיביו העיקריים ועד כמה הוא יעיל? אנו למדים על כך ועוד מהדוח של קבוצת המחקר. ללכת.

בסיס מחקר

בעיית התחממות יתר ידועה כבר זמן רב מאוד, ומדענים פותרים אותה במגוון דרכים. חלק מהפופולריים ביותר הם השימוש בזכוכית, פלסטיק ואפילו שכבות אוויר, המשמשות כמעין מבודדים של קרינה תרמית. במציאות המודרנית, ניתן לשפר שיטה זו על ידי הפחתת עובי שכבת המגן למספר אטומים מבלי לאבד את תכונות הבידוד התרמי שלה. זה בדיוק מה שהחוקרים עשו.

אנחנו, כמובן, מדברים על ננו-חומרים. עם זאת, השימוש בהם בבידוד תרמי היה מסובך בעבר על ידי העובדה שאורך הגל של נוזלי קירור (פונונים*) קצר משמעותית מזה של אלקטרונים או פוטונים.

פונון* - קוואזי-חלקיק, שהוא קוואנטום של תנועת הרטט של אטומי גביש.

בנוסף, בשל האופי הבוזוני של הפונונים, אי אפשר לשלוט בהם על ידי מתח (כפי שנעשה עם נושאי מטען), מה שבדרך כלל מקשה על שליטה בהעברת חום במוצקים.

בעבר, התכונות התרמיות של מוצקים, כפי שחוקרים מזכירים לנו, נשלטו באמצעות סרטי ננו-למינציה וסריג-על עקב אי-סדר מבני וממשקי צפיפות גבוהה, או באמצעות ננו-חוטי סיליקון וגרמניום עקב פיזור פונון חזק.

למספר שיטות בידוד תרמי שתוארו לעיל, מדענים מוכנים בביטחון לייחס חומרים דו-ממדיים, שעובים אינו עולה על מספר אטומים, מה שמקל על השליטה בהם בקנה מידה אטומי. במחקר שלהם הם השתמשו ואן דר ואלס (vdW) הרכבה של שכבות דו-ממדיות דקות מבחינה אטומית להשגת התנגדות תרמית גבוהה מאוד בכל המבנה ההטרוי שלהן.

כוחות ואן דר ואלס* - כוחות אינטראקציה בין-מולקולריים/בין-אטומיים באנרגיה של 10-20 קילו-ג'יי/מול.

הטכניקה החדשה אפשרה להשיג התנגדות תרמית במבנה vdW בעובי של 2 ננומטר השווה לזה בשכבת SiO2 (סיליקון דו חמצני) בעובי 300 ננומטר.

בנוסף, השימוש ב-vdW heterostructures איפשר להשיג שליטה על תכונות תרמיות ברמה האטומית באמצעות שכבות של מונו-שכבות דו-ממדיות הטרוגניות עם צפיפות מסה אטומית ומצבי רטט שונים.

אז, בואו לא נמשוך את זיפם של החתול ובואו נתחיל לשקול את תוצאות המחקר המדהים הזה.

תוצאות המחקר

ראשית, הבה נכיר את המאפיינים המיקרו-מבניים והאופטיים של מבני ה-vdW המשמשים במחקר זה.

תמונה מס' 1

על התמונה 1а מציג דיאגרמת חתך של מבנה הטרו-שכבתי ארבע-שכבתי המורכב מ(מלמעלה למטה): גרפן (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 ומצע SiO2/Si. כדי לסרוק את כל השכבות בו זמנית, השתמש לייזר ראמאן* עם אורך גל של 532 ננומטר.

לייזר ראמאן* - סוג לייזר בו המנגנון העיקרי של הגברה האור הוא פיזור רמאן.

פיזור ראמאן, בתורו, הוא פיזור לא אלסטי של קרינה אופטית על מולקולות של חומר, המלווה בשינוי משמעותי בתדירות הקרינה.

נעשה שימוש במספר שיטות כדי לאשר את ההומוגניות המיקרו-מבנית, התרמית והחשמלית של מבנים הטרו-מבנים: מיקרוסקופיה של סריקת תמסורת אלקטרונים (STEM), ספקטרוסקופיה פוטו-לומיננסנציה (PL), מיקרוסקופיה של קלווין (KPM), מיקרוסקופיה תרמית סורקת (SThM), וכן ספקטרוסקופיה של ראמאן ו תרמומטריה .

Изображение 1b מראה לנו את הספקטרום של ראמאן של הטרומבנה Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 על מצע SiO2/Si במיקום המסומן בנקודה אדומה. עלילה זו מציגה את החתימה של כל מונו-שכבה במערך השכבות, כמו גם את החתימה של מצע ה-Si.

על 1c-1f מוצגות תמונות STEM בשדה כהה של הטרומבנה Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 (1c) ו- Gr/MoS2/WSe22 הטרו-מבנים (1d-1f) עם כיווני סריג שונים. תמונות STEM מציגות פערי vdW קרובים מבחינה אטומית ללא כל זיהום, מה שמאפשר לעובי הכולל של ההטרו-מבנים הללו להיות גלוי לחלוטין. נוכחות של צימוד בין-שכבתי אושרה גם על פני שטחי סריקה גדולים באמצעות ספקטרוסקופיה של פוטו-לומיננסנציה (PL) (1g). האות הפוטו-luminescent של שכבות בודדות בתוך ההטרומבנה מדוכא באופן משמעותי בהשוואה לאות של מונו-שכבה מבודדת. זה מוסבר על ידי תהליך העברת מטען בין-שכבתי עקב אינטראקציה בין-שכבתית קרובה, אשר מתחזק אף יותר לאחר חישול.

תמונה מס' 2

על מנת למדוד את זרימת החום בניצב למישורים האטומיים של המבנה ההטרו, מערך השכבות נבנה בצורה של מכשירים חשמליים בעלי ארבע בדיקות. השכבה העליונה של גרפן מתקשרת עם אלקטרודות פלדיום (Pd) ומשמשת כמחמם למדידות תרמומטריית ראמאן.

שיטת חימום חשמלי זו מספקת כימות מדויק של הספק המבוא. שיטת חימום אפשרית נוספת, אופטית, תהיה קשה יותר ליישום עקב אי ידיעת מקדמי הספיגה של שכבות בודדות.

על 2а מראה מעגל מדידה בעל ארבע בדיקות, ו 2b מציג מבט מלמעלה של המבנה הנבדק. לוח זמנים 2c מציג מאפייני העברת חום נמדדים עבור שלושה מכשירים, אחד המכיל רק גרפן ושניים המכיל מערכי שכבות Gr/WSe22 ו- Gr/MoSe2/WSe22. כל הגרסאות מדגימות התנהגות אמביפולרית של גרפן, הקשורה בהיעדר פער פס.

כמו כן, נמצא כי הולכה וחימום זרם מתרחשים בשכבה העליונה (בגרפן), שכן המוליכות החשמלית שלו גבוהה בכמה סדרי גודל מזו של MoS2 ו-WSe22.

כדי להדגים את ההומוגניות של המכשירים שנבדקו, בוצעו מדידות באמצעות מיקרוסקופ בדיקה של קלווין (KPM) ומיקרוסקופיה תרמית סורקת (SThM). על התרשים 2d מדידות KPM מוצגות וחושפות את התפלגות הפוטנציאל הליניארית. התוצאות של ניתוח SThM מוצגות ב 2е. כאן אנו רואים מפה של ערוצי Gr/MoS2/WSe22 מחוממים חשמלית, כמו גם נוכחות של אחידות בחימום פני השטח.

טכניקות הסריקה שתוארו לעיל, בפרט SThM, אישרו את ההומוגניות של המבנה הנבדק, כלומר ההומוגניות שלו, במונחים של טמפרטורות. השלב הבא היה לכמת את הטמפרטורה של כל אחת מהשכבות המרכיבות באמצעות ספקטרוסקופיה של ראמאן (כלומר ספקטרוסקופיה של ראמאן).

כל שלושת המכשירים נבדקו, כל אחד בשטח של ~40 µm2. במקרה זה, הספק המחמם השתנה ב-9 mW, והספק הלייזר הנקלט היה מתחת ל-5 מיקרו-ואט עם שטח נקודת לייזר של ~0.5 מיקרו-מטר.

תמונה מס' 3

על התרשים 3а עלייה בטמפרטורה (∆T) של כל שכבה ומצע נראית לעין ככל שעוצמת המחמם במבנה ההטרו-Gr/MoS2/WSe22 עולה.

שיפועים של הפונקציה הליניארית עבור כל חומר (שכבה) מציינים את ההתנגדות התרמית (Rth=∆T/P) בין השכבה הבודדת לגוף הקירור. בהתחשב בחלוקה האחידה של החימום על פני השטח, ניתן לנתח בקלות התנגדויות תרמיות מהשכבה התחתונה לשכבה העליונה, שבמהלכה ערכיהן מנורמלים על ידי אזור הערוץ (WL).

L ו-W הם אורך ורוחב התעלה, שהם גדולים משמעותית מעובי מצע SiO2 ואורך החימום התרמי לרוחב, שהוא ~0.1 מיקרומטר.

לכן, נוכל לגזור את הנוסחה להתנגדות התרמית של מצע ה-Si, שתיראה כך:

Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kסִי)

במצב הזה kSi ≈ 90 W m−1 K−1, שהיא המוליכות התרמית הצפויה של מצע מסומם מאוד.

ההבדל בין Rth,WSe2 ו-Rth,Si הוא סכום ההתנגדות התרמית של SiO2 בעובי 100 ננומטר והתנגדות הגבול התרמית (TBR) של ממשק WSe2/SiO2.

חיבור כל ההיבטים שלעיל ביחד, נוכל לקבוע ש-Rth,MoS2 - Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, ו-Rth,Gr - Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. לכן, מהגרף 3а ניתן לחלץ את ערך TBR עבור כל אחד מהממשקים WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 ו- Gr/MoS2.

לאחר מכן, המדענים השוו את ההתנגדות התרמית הכוללת של כל ההטרו-מבנים, שנמדדה באמצעות ספקטרוסקופיה של ראמאן ומיקרוסקופיה תרמית (3b).

מבנים דו-שכבתיים ותלת-שכבתיים על SiO2 הציגו התנגדות תרמית יעילה בטווח של 220 עד 280 מ"ר K/GW בטמפרטורת החדר, המקבילה להתנגדות התרמית של SiO2 בעובי של 2 עד 290 ננומטר. למרות העובדה שעובי המבנים הנחקרים אינו עולה על 360 ננומטר (1d-1f), המוליכות התרמית שלהם היא 0.007-0.009 W m−1 K−1 בטמפרטורת החדר.

תמונה מס' 4

תמונה 4 מציגה את המדידות של כל ארבעת המבנים ואת מוליכות הגבול התרמית (TBC) של הממשקים שלהם, מה שמאפשר לנו להעריך את מידת ההשפעה של כל שכבה על ההתנגדות התרמית שנמדדה קודם לכן (TBC = 1 / TBR).

החוקרים מציינים כי זוהי מדידת TBC הראשונה אי פעם עבור ממשקים קרובים מבחינה אטומית בין מונו-שכבות נפרדות (2D/2D), במיוחד בין WSe2 ו- SiO2 monolayers.

ה-TBC של ממשק WSe2/SiO2 חד-שכבתי נמוך מזה של ממשק WSe2/SiO2 רב-שכבתי, וזה לא מפתיע מאחר ולחד-שכבה יש באופן משמעותי פחות מצבי פונון מכופפים הזמינים לשידור. במילים פשוטות, ה-TBC של הממשק בין שכבות 2D נמוך מה-TBC של הממשק בין שכבת 2D למצע SiO3 2D (4b).

להבנה מפורטת יותר של הניואנסים של המחקר, אני ממליץ להסתכל על מדענים מדווחים и חומרים נוספים אליו.

אפילוג

מחקר זה, כפי שטוענים המדענים עצמם, נותן לנו ידע שניתן ליישם ביישום ממשקים תרמיים אטומיים. עבודה זו הראתה את האפשרות ליצור מטא-חומרים מבודדי חום שתכונותיהם אינן מצויות בטבע. בנוסף, המחקר אישר גם את האפשרות לבצע מדידות טמפרטורה מדויקות של מבנים כאלה, למרות קנה המידה האטומי של השכבות.

המבנים ההטרו-מבנים המתוארים לעיל יכולים להפוך לבסיס ל"מגנים תרמיים" קלים וקומפקטיים במיוחד, המסוגלים, למשל, להסיר חום מנקודות חמות באלקטרוניקה. בנוסף, טכנולוגיה זו יכולה לשמש בגנרטורים תרמו-אלקטריים או במכשירים מבוקרים תרמית, מה שמגדיל את הביצועים שלהם.

מחקר זה שוב מאשר שהמדע המודרני מתעניין ברצינות בעיקרון של "יעילות באצבעון", שלא ניתן לכנותו רעיון מטופש, לאור המשאבים המוגבלים של כדור הארץ והגידול המתמשך בביקוש לכל מיני חידושים טכנולוגיים.

תודה שקראתם, תהיו סקרנים ושבוע טוב חברים! 🙂

תודה שנשארת איתנו. האם אתה אוהב את המאמרים שלנו? רוצים לראות עוד תוכן מעניין? תמכו בנו על ידי ביצוע הזמנה או המלצה לחברים, 30% הנחה למשתמשי Habr על אנלוגי ייחודי של שרתים ברמת הכניסה, שהומצא על ידינו עבורכם: כל האמת על VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 ליבות) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps החל מ-$20 או איך לשתף שרת? (זמין עם RAID1 ו-RAID10, עד 24 ליבות ועד 40GB DDR4).

Dell R730xd זול פי 2? רק כאן 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV החל מ-$199 בהולנד! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - החל מ-$99! לקרוא על כיצד לבנות תשתיות קורפ. מחלקה עם שימוש בשרתי Dell R730xd E5-2650 v4 בשווי 9000 יורו עבור אגורה?

מקור: www.habr.com