Akeh tukang game ing saindenging jagad sing ngalami jaman Xbox 360 ngerti banget karo kahanan nalika konsol kasebut dadi wajan sing bisa nggoreng endhog. Kahanan sedih sing padha ora mung ana ing konsol game, nanging uga ing telpon, laptop, tablet lan liya-liyane. Ing asas, meh kabeh piranti elektronik bisa nemu kejut termal, kang bisa mimpin ora mung kanggo Gagal lan upset saka pemilik, nanging uga kanggo "boom ala" baterei lan ciloko serius. Dina iki kita bakal kenalan karo sinau kang ilmuwan saka Universitas Stanford, kaya Nick Fury saka komik, wis nggawe tameng sing nglindhungi panas-sensitif bagean elektronik saka overheating lan, minangka asil, nyegah saka bejat. Kepiye para ilmuwan bisa nggawe tameng termal, apa komponen utama lan kepiye efektif? Kita sinau babagan iki lan liyane saka laporan klompok riset. Tindak.
Basis riset
Masalah overheating wis dikenal kanggo wektu sing suwe, lan para ilmuwan ngrampungake kanthi macem-macem cara. Sawetara sing paling populer yaiku panggunaan kaca, plastik lan malah lapisan udara, sing dadi jinis insulator radiasi termal. Ing kasunyatan modern, cara iki bisa ditingkatake kanthi ngurangi kekandelan lapisan protèktif dadi sawetara atom tanpa kelangan sifat insulasi termal. Semono uga para peneliti.
Kita, mesthi, ngomong babagan nanomaterials. Nanging, panggunaan ing insulasi termal sadurunge rumit amarga kasunyatan manawa dawa gelombang coolant (fonon*) luwih cendhek tinimbang elektron utawa foton.
Fon* - quasiparticle, yaiku kuantum saka gerakan vibrasi atom kristal.
Kajaba iku, amarga sifat boson saka fonon, ora bisa dikontrol kanthi voltase (kaya sing ditindakake karo operator muatan), sing umume angel ngontrol transfer panas ing barang padhet.
Sadurunge, sifat termal saka barang padhet, minangka peneliti ngelingake kita, dikontrol liwat film nanolaminate lan superlattices amarga kelainan struktural lan antarmuka kepadatan dhuwur, utawa liwat kawat nano silikon lan germanium amarga panyebaran fonon sing kuwat.
Kanggo sawetara cara insulasi termal sing diterangake ing ndhuwur, para ilmuwan yakin siap kanggo ngubungake bahan loro-dimensi, kekandelan sing ora ngluwihi sawetara atom, sing ndadekake gampang dikontrol ing skala atom. Ing sinau padha digunakake van der Waals (vdW) ngrakit lapisan 2D tipis atom kanggo entuk resistensi termal sing dhuwur banget sajrone heterostrukture.
Pasukan Van der Waals* - gaya interaksi antarmolekul/interatomik kanthi energi 10-20 kJ/mol.
Tèknik anyar iki bisa kanggo njupuk resistance termal ing 2 nm nglukis vdW heterostructure iso dibandhingke kanggo ing 2 nm nglukis SiO300 (silikon dioksida) lapisan.
Kajaba iku, panggunaan heterostruktur vdW wis bisa ngontrol sifat termal ing tingkat atom liwat lapisan monolayer XNUMXD heterogen kanthi kapadhetan massa atom lan mode getaran sing beda.
Dadi, ayo ora narik kumis kucing lan ayo miwiti nimbang asil riset sing luar biasa iki.
Asil riset
Kaping pisanan, ayo padha ngerti karakteristik mikrostruktur lan optik saka heterostruktur vdW sing digunakake ing panliten iki.
Gambar #1
Ing gambar 1a nuduhake diagram cross-sectional heterostructure papat lapisan dumadi saka (saka ndhuwur kanggo ngisor): graphene (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 lan substrat SiO2 / Si. Kanggo mindhai kabeh lapisan bebarengan, gunakake Raman laser* kanthi dawa gelombang 532 nm.
Raman laser* - jinis laser sing mekanisme utama amplifikasi cahya yaiku panyebaran Raman.
Raman nyebar, minangka panyebaran radiasi optik sing ora elastis ing molekul zat, sing diiringi owah-owahan sing signifikan ing frekuensi radiasi.
Sawetara metode digunakake kanggo ngonfirmasi homogeneitas mikrostruktural, termal lan listrik heterostruktur: scanning transmission electron microscopy (STEM), photoluminescence spectroscopy (PL), Kelvin probe microscopy (KPM), scanning thermal microscopy (SThM), uga spektroskopi Raman lan thermometry.
Gambar Gambar 1b nuduhake kita spektrum Raman saka heterostructure Gr / MoSe2 / MoS2 / WSe22 ing substrat SiO2 / Si ing lokasi ditandhani karo titik abang. Plot iki nuduhake teken saben monolayer ing array lapisan, uga teken saka substrat Si.
Ing 1c-1f gambar STEM lapangan gelap saka heterostruktur Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 ditampilake (1) lan heterostruktur Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) kanthi orientasi kisi sing beda. Gambar STEM nuduhake kesenjangan vdW sing nutup kanthi atom tanpa kontaminasi, saéngga kekandelan sakabèhé heterostruktur kasebut bisa katon kanthi lengkap. Anane kopling interlayer uga dikonfirmasi ing area pemindaian gedhe nggunakake spektroskopi photoluminescence (PL).1g). Sinyal photoluminescent saka lapisan individu ing heterostructure ditekan sacara signifikan dibandhingake karo sinyal monolayer sing terisolasi. Iki diterangake kanthi proses transfer muatan interlayer amarga interaksi interlayer sing cedhak, sing dadi luwih kuat sawise anil.
Gambar #2
Kanggo ngukur aliran panas sing tegak karo bidang atom saka heterostructure, susunan lapisan kasebut disusun ing wangun piranti listrik papat probe. Lapisan ndhuwur graphene kontak elektroda paladium (Pd) lan digunakake minangka pemanas kanggo pangukuran termometri Raman.
Cara pemanasan listrik iki nyedhiyakake kuantitas daya input sing tepat. Cara pemanasan liyane, optik, bakal luwih angel dileksanakake amarga ora ngerti koefisien panyerepan saka lapisan individu.
Ing 2a nuduhake sirkuit pangukuran papat-probe, lan 2b nuduhake tampilan ndhuwur struktur sing diuji. Jadwal 2 nuduhake karakteristik transfer panas diukur kanggo telung piranti, siji ngemot mung graphene lan loro ngemot lapisan Gr / WSe22 lan Gr / MoSe2 / WSe22. Kabeh varian nduduhake prilaku ambipolar graphene, sing digandhengake karo ora ana celah pita.
Uga ditemokake yen konduksi lan pemanasan saiki dumadi ing lapisan ndhuwur (ing graphene), amarga konduktivitas listrike luwih dhuwur tinimbang MoS2 lan WSe22.
Kanggo nduduhake homogeneitas piranti sing diuji, pangukuran ditindakake nggunakake mikroskop probe Kelvin (KPM) lan mikroskop termal scanning (SThM). Ing grafik 2d Pangukuran KPM ditampilake nuduhake distribusi potensial linier. Asil analisis SThM ditampilake ing 2-an. Ing kene kita ndeleng peta saluran Gr / MoS2 / WSe22 sing digawe panas kanthi listrik, uga anane keseragaman ing pemanasan permukaan.
Teknik pemindaian sing diterangake ing ndhuwur, utamane SThM, ngonfirmasi homogenitas struktur sing diteliti, yaiku homogeneitas, saka segi suhu. Langkah sabanjure yaiku ngitung suhu saben lapisan konstituen nggunakake spektroskopi Raman (yaiku, spektroskopi Raman).
Telu piranti kasebut diuji, masing-masing kanthi area ~40 µm2. Ing kasus iki, daya pemanas diganti dening 9 mW, lan daya laser diserep ing ngisor ~5 μW karo area titik laser saka ~0.5 μm2.
Gambar #3
Ing grafik 3a Tambah ing suhu (∆T) saben lapisan lan landasan katon minangka daya pemanas ing heterostructure Gr / MoS2 / WSe22 mundhak.
Lereng saka fungsi linear kanggo saben materi (lapisan) nuduhake resistance termal (Rth=∆T/P) antarane lapisan individu lan sink panas. Amarga distribusi pemanasan seragam ing wilayah kasebut, resistensi termal bisa dianalisis kanthi gampang saka ngisor nganti lapisan ndhuwur, sajrone nilai kasebut dinormalisasi dening area saluran (WL).
L lan W yaiku dawa lan jembar saluran, sing luwih gedhe tinimbang ketebalan substrat SiO2 lan dawa pemanasan termal lateral, yaiku ~ 0.1 μm.
Mulane, kita bisa nurunake rumus kanggo resistance termal saka substrat Si, kang bakal katon kaya iki:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
Ing kahanan iki kSi ≈ 90 W m−1 K−1, yaiku konduktivitas termal sing dikarepake saka substrat sing didoping banget.
Bentenipun antarane Rth, WSe2 lan Rth, Si punika jumlah saka resistance termal saka 2 nm nglukis SiO100 lan resistance wates termal (TBR) saka antarmuka WSe2/SiO2.
Kanthi nggabungake kabeh aspek ing ndhuwur, kita bisa nemtokake manawa Rth,MoS2 - Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, lan Rth,Gr - Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Mulane, saka grafik 3a iku bisa kanggo extract Nilai TBR kanggo saben WSe2 / SiO2, MoS2 / WSe2 lan Gr / MoS2 antarmuka.
Sabanjure, para ilmuwan mbandhingake resistensi termal total kabeh heterostruktur, diukur nggunakake spektroskopi Raman lan mikroskop termal (3b).
Heterostruktur bilayer lan trilayer ing SiO2 nampilake resistensi termal efektif ing kisaran 220 nganti 280 m2 K / GW ing suhu kamar, sing padha karo resistensi termal SiO2 kanthi kekandelan 290 nganti 360 nm. Senadyan kasunyatan manawa kekandelan heterostruktur sing diteliti ora ngluwihi 2 nm (1d-1f), konduktivitas termal yaiku 0.007-0.009 W m−1 K−1 ing suhu kamar.
Gambar #4
Gambar 4 nuduhake pangukuran kabeh papat struktur lan konduktivitas wates termal (TBC) saka antarmuka, sing ngidini kita ngevaluasi tingkat pengaruh saben lapisan ing resistensi termal sing diukur sadurunge (TBC = 1 / TBR).
Para panaliti nyathet yen iki minangka pangukuran TBC sing sepisanan kanggo antarmuka sing cedhak kanthi atom ing antarane monolayer sing kapisah (2D / 2D), utamane ing antarane monolayer WSe2 lan SiO2.
TBC antarmuka WSe2 / SiO2 monolayer luwih murah tinimbang antarmuka WSe2 / SiO2 multilayer, sing ora nggumunake amarga monolayer nduweni mode phonon mlengkung sing luwih sithik sing kasedhiya kanggo transmisi. Cukup, TBC antarmuka antarane lapisan 2D luwih murah tinimbang TBC antarmuka antarane lapisan 2D lan substrat 3D SiO2 (4b).
Kanggo kenalan sing luwih rinci karo nuansa sinau, aku nyaranake ndeleng и kanggo dheweke.
Epilogue
Panaliten iki, kaya sing diklaim para ilmuwan, menehi kawruh sing bisa ditrapake ing implementasine antarmuka termal atom. Karya iki nuduhake kemungkinan nggawe metamaterial insulasi panas sing sifate ora ditemokake ing alam. Kajaba iku, panliten kasebut uga ngonfirmasi kemungkinan nindakake pangukuran suhu sing tepat saka struktur kasebut, sanajan skala atom saka lapisan kasebut.
Heterostruktur sing kasebut ing ndhuwur bisa dadi basis kanggo "tameng" termal ultra-cahya lan kompak, bisa, contone, mbusak panas saka titik panas ing elektronika. Kajaba iku, teknologi iki bisa digunakake ing generator termoelektrik utawa piranti sing dikontrol kanthi termal, nambah kinerja.
Panaliten iki maneh nandheske yen ilmu modern banget kasengsem ing prinsip "efisiensi ing bidal", sing ora bisa diarani ide bodho, amarga sumber daya sing winates ing planet lan pertumbuhan sing terus-terusan kanggo kabeh jinis inovasi teknologi.
Matur nuwun kanggo manungsa waé, tetep penasaran lan duwe minggu apik everyone! 🙂
Matur nuwun kanggo tetep karo kita. Apa sampeyan seneng karo artikel kita? Pengin ndeleng konten sing luwih menarik? Ndhukung kita kanthi nggawe pesenan utawa menehi rekomendasi menyang kanca, Diskon 30% kanggo pangguna Habr ing analog unik saka server level entri, sing diciptakake kanggo sampeyan: (kasedhiya karo RAID1 lan RAID10, munggah 24 intine lan nganti 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kaping luwih murah? Mung kene ing Walanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - saka $99! Maca babagan
Source: www.habr.com