ラップトップを持っているのになぜ加熱パッドが必要なのか: 原子レベルでの熱抵抗の研究

Xbox 360 時代を経験した世界中の多くのゲーマーは、ゲーム機が卵を焼くためのフライパンに変わったときの状況をよく知っています。 同様の悲しい状況は、ゲーム機だけでなく、携帯電話、ラップトップ、タブレットなどでも発生します。 原則として、ほとんどすべての電子機器は熱衝撃を受ける可能性があり、故障や所有者の動揺だけでなく、バ​​ッテリーの「悪いブーム」や重傷を引き起こす可能性があります。 今日は、漫画に登場するニック・フューリーのようなスタンフォード大学の科学者たちが、熱に弱い電子部品を過熱から守り、その結果故障を防ぐシールドを作成したという研究を紹介します。 科学者たちはどのようにして熱シールドを作成したのでしょうか、その主な構成要素は何で、その効果はどの程度なのでしょうか? 研究グループの報告書から、このことやさらに多くのことを学びます。 行く。

研究根拠

過熱の問題は非常に長い間知られており、科学者はさまざまな方法でこの問題を解決しています。 最も一般的なのは、ガラス、プラスチック、さらには熱放射の一種の断熱材として機能する空気層の使用です。 現代の現実では、この方法は、断熱特性を失うことなく保護層の厚さを原子数個まで減らすことで改善できます。 まさに研究者たちがやったことです。

もちろん、私たちはナノマテリアルについて話しています。 しかし、断熱材へのそれらの使用は、冷却剤の波長（フォノン*) は電子や光子よりも大幅に短いです。

フォノン* - 準粒子。結晶原子の振動運動の量子です。

さらに、フォノンのボソンの性質により、（電荷キャリアの場合のように）電圧によってフォノンを制御することは不可能であり、そのため一般に固体内の熱伝達を制御することが困難になります。

研究者らの指摘によれば、これまで固体の熱特性は、構造の乱れや高密度界面によるナノラミネート膜や超格子、あるいは強いフォノン散乱によるシリコンやゲルマニウムのナノワイヤによって制御されていた。

科学者たちは、上記の断熱方法の多くが二次元材料であると自信を持って考えています。その厚さは原子数個を超えず、原子スケールでの制御が容易になります。 彼らは研究で使用した ファンデルワールス (vdW) ヘテロ構造全体にわたって非常に高い熱抵抗を達成するための原子的に薄い 2D 層のアセンブリ。

ファンデルワールス力* — 10 ～ 20 kJ/mol のエネルギーを持つ分子間/原子間の相互作用力。

新しい技術により、厚さ 2 nm の vdW ヘテロ構造で、厚さ 2 nm の SiO300 (二酸化シリコン) 層の熱抵抗に匹敵する熱抵抗を得ることが可能になりました。

さらに、vdW ヘテロ構造の使用により、原子質量密度と振動モードが異なる不均一な XNUMXD 単層を積層することで、原子レベルでの熱特性の制御が可能になりました。

ですから、猫のひげを引っ張るのはやめて、この驚くべき研究の結果について考えてみましょう。

研究成果

まず最初に、この研究で使用した vdW ヘテロ構造の微細構造と光学的特性について知りましょう。

画像 #1

画像上 1а 図は、（上から下に）グラフェン（Gr）、MoSe2、MoS2、WSe22、SiO2/Si基板からなるXNUMX層ヘテロ構造の断面図を示しています。 すべてのレイヤーを同時にスキャンするには、次を使用します。 ラマンレーザー* 波長は532nm。

ラマンレーザー* - 光増幅の主なメカニズムがラマン散乱であるレーザーの一種。

ラマン散乱言い換えると、物質の分子上の光放射の非弾性散乱であり、放射の周波数の大幅な変化を伴います。

ヘテロ構造の微細構造、熱的および電気的均一性を確認するために、走査型透過電子顕微鏡 (STEM)、フォトルミネッセンス分光法 (PL)、ケルビン プローブ顕微鏡 (KPM)、走査型熱顕微鏡 (SThM)、およびラマン分光法などのいくつかの方法が使用されました。体温測定。

Изображение 1b 赤い点でマークされた位置の SiO2/Si 基板上の Gr/MoSe2/MoS22/WSe2 ヘテロ構造のラマン スペクトルを示します。 このプロットは、層配列内の各単層の特徴と、Si 基板の特徴を示しています。

На 1c - 1f Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 ヘテロ構造の暗視野 STEM 画像を示します (1c) および Gr/MoS2/WSe22 ヘテロ構造 (1d - 1f) 格子の向きが異なります。 STEM 画像では、原子的に近い vdW ギャップが汚染されていないことが示されており、これらのヘテロ構造の全体の厚さを完全に見ることができます。 層間結合の存在は、フォトルミネッセンス (PL) 分光法を使用して広い走査領域にわたって確認されました (1g）。 ヘテロ構造内部の個々の層のフォトルミネセンス シグナルは、分離された単層のシグナルと比較して大幅に抑制されます。 これは、密接な層間相互作用による層間電荷移動のプロセスによって説明され、アニーリング後にはこの相互作用がさらに強くなります。

画像 #2

ヘテロ構造の原子面に垂直な熱流を測定するために、層のアレイは XNUMX つのプローブの電気デバイスの形式で構造化されました。 グラフェンの最上層はパラジウム (Pd) 電極と接触し、ラマン温度測定のヒーターとして使用されます。

この電気加熱方法により、入力電力を正確に定量化できます。 もう XNUMX つの可能な加熱方法である光学的加熱方法は、個々の層の吸収係数が不明なため、実装がより困難になります。

На 2а XNUMX つのプローブの測定回路を示します。 2b は、テスト対象の構造の上面図を示しています。 スケジュール 2c 図は 22 つのデバイスについて測定された熱伝達特性を示しています。2 つはグラフェンのみを含み、22 つは Gr/WSeXNUMX および Gr/MoSeXNUMX/WSeXNUMX 層アレイを含みます。 すべてのバリアントは、バンドギャップの欠如に関連するグラフェンの両極性挙動を示します。

また、上層（グラフェン）の電気伝導率はMoS2やWSe22よりも数桁高いため、電流の伝導と加熱が上層で起こることもわかりました。

テストされたデバイスの均質性を実証するために、ケルビン プローブ顕微鏡 (KPM) と走査型熱顕微鏡 (SThM) を使用して測定が行われました。 チャート上 2d KPM 測定値が表示され、線形電位分布が明らかになります。 SThM 解析の結果を以下に示します。 2。 ここでは、電気的に加熱された Gr/MoS2/WSe22 チャネルのマ​​ップと、表面加熱の均一性の存在がわかります。

上述の走査技術、特に SThM は、研究対象の構造の均一性、つまり温度の観点からの均一性を確認しました。 次のステップは、ラマン分光法 (つまり、ラマン分光法) を使用して各構成層の温度を定量化することでした。

40 つのデバイスすべてがテストされ、それぞれの面積は約 2 µm9 でした。 この場合、ヒーター出力は 5 mW 変化し、レーザースポット面積が約 0.5 μm2 の場合、吸収されるレーザー出力は約 XNUMX μW 未満になりました。

画像 #3

チャート上 3а Gr/MoS2/WSe22 ヘテロ構造のヒーター電力が増加すると、各層と基板の温度 (ΔT) が上昇することがわかります。

各材料（層）の一次関数の傾きは、個々の層とヒートシンク間の熱抵抗（Rth=ΔT/P）を示します。 領域全体にわたる加熱の均一な分布を考慮すると、熱抵抗は下層から上層まで簡単に分析でき、その間の値はチャネル面積 (WL) によって正規化されます。

L と W はチャネルの長さと幅で、SiO2 基板の厚さおよび横方向の熱加熱長 (約 0.1 μm) よりも大幅に大きくなります。

したがって、Si 基板の熱抵抗の式は次のように導出できます。

Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi）

この状況では kSi ≈ 90 W m-1 K-1。これは、このような高濃度ドープ基板の予想される熱伝導率です。

Rth,WSe2 と Rth,Si の差は、厚さ 2 nm の SiO100 の熱抵抗と WSe2/SiO2 界面の熱境界抵抗 (TBR) の合計です。

上記の側面をすべてまとめると、Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2、および Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2 を確立できます。 したがって、グラフから 3а WSe2/SiO2、MoS2/WSe2、Gr/MoS2 界面それぞれの TBR 値を抽出することが可能です。

次に、科学者らは、ラマン分光法と熱顕微鏡を使用して測定したすべてのヘテロ構造の合計熱抵抗を比較しました (3b).

SiO2 上の二層および三層ヘテロ構造は、室温で 220 ～ 280 m2 K/GW の範囲の実効熱抵抗を示しました。これは、厚さ 2 ～ 290 nm の SiO360 の熱抵抗と同等です。 研究中のヘテロ構造の厚さは 2 nm を超えないという事実にもかかわらず (1d - 1f）、熱伝導率は室温で 0.007 ～ 0.009 W m-1 K-1 です。

画像 #4

画像 4 は、1 つすべての構造の測定値とその界面の熱境界伝導率 (TBC) を示しています。これにより、以前に測定した熱抵抗 (TBC = XNUMX / TBR) に対する各層の影響の程度を評価できます。

研究者らは、これが別々の単層（2D/2D）間、特にWSe2とSiO2単層の間の原子的に近い界面に対する史上初のTBC測定であると指摘している。

単層 WSe2/SiO2 界面の TBC は、多層 WSe2/SiO2 界面の TBC よりも低くなりますが、単層では伝送に利用できる曲げフォノン モードが大幅に少ないため、これは驚くべきことではありません。 簡単に言えば、2D 層間の界面の TBC は、2D 層と 3D SiO2 基板間の界面の TBC よりも低くなります (4b).

研究のニュアンスをより詳しく知りたい場合は、以下を参照することをお勧めします。 科学者の報告 и 追加資料 彼に。

フィナーレ

科学者自身が主張しているように、この研究は原子熱インターフェースの実装に適用できる知識を私たちに与えてくれます。 この研究は、自然界には見られない特性を備えた断熱メタマテリアルを作成できる可能性を示しました。 さらに、この研究では、層の原子スケールにもかかわらず、そのような構造の正確な温度測定を実行できる可能性も確認しました。

上で説明したヘテロ構造は、たとえば電子機器のホットスポットから熱を除去できる、超軽量でコンパクトな熱「シールド」の基礎となる可能性があります。 さらに、この技術は熱電発電機や熱制御デバイスに使用でき、その性能が向上します。

この研究は、現代科学が「指ぬきの効率」という原則に真剣に関心を持っていることを改めて裏付けていますが、地球の資源が限られており、あらゆる種類の技術革新に対する需要が継続的に増加していることを考えると、これは愚かな考えとは言えません。

読んでいただきありがとうございます。好奇心を持ち続けて、素晴らしい一週間をお過ごしください。 🙂

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出所： habr.com