რატომ გათბობის ბალიში, თუ თქვენ გაქვთ ლეპტოპი: თერმული წინააღმდეგობის შესწავლა ატომურ დონეზე

ბევრი მოთამაშე მთელს მსოფლიოში, რომლებმაც განიცადეს Xbox 360-ის ეპოქა, კარგად იცნობს სიტუაციას, როდესაც მათი კონსოლი გადაიქცა ტაფაში, რომელზედაც მათ შეეძლოთ კვერცხის შეწვა. მსგავსი სამწუხარო ვითარება ხდება არა მხოლოდ სათამაშო კონსოლებთან, არამედ ტელეფონებთან, ლეპტოპებთან, ტაბლეტებთან და სხვასთან დაკავშირებით. პრინციპში, თითქმის ნებისმიერ ელექტრონულ მოწყობილობას შეუძლია განიცადოს თერმული შოკი, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს არა მხოლოდ მისი უკმარისობა და მისი მფლობელის აღშფოთება, არამედ ბატარეის "ცუდი ბუმი" და სერიოზული დაზიანება. დღეს ჩვენ გავეცნობით კვლევას, რომელშიც სტენფორდის უნივერსიტეტის მეცნიერებმა, ისევე როგორც ნიკ ფიური კომიქსებიდან, შექმნეს ფარი, რომელიც იცავს სითბოსადმი მგრძნობიარე ელექტრონულ ნაწილებს გადახურებისგან და, შედეგად, ხელს უშლის მათ დაშლას. როგორ შეძლეს მეცნიერებმა თერმული ფარის შექმნა, რა არის მისი ძირითადი კომპონენტები და რამდენად ეფექტურია იგი? ამის შესახებ და კიდევ უფრო მეტს კვლევის ჯგუფის ანგარიშიდან ვიგებთ. წადი.

კვლევის საფუძველი

გადახურების პრობლემა ძალიან დიდი ხანია ცნობილია და მეცნიერები მას სხვადასხვა გზით წყვეტენ. ზოგიერთი ყველაზე პოპულარულია შუშის, პლასტმასის და თუნდაც ჰაერის ფენების გამოყენება, რომლებიც თერმული გამოსხივების ერთგვარი იზოლატორები არიან. თანამედროვე რეალობაში ეს მეთოდი შეიძლება გაუმჯობესდეს დამცავი ფენის სისქის რამდენიმე ატომამდე შემცირებით მისი თბოიზოლაციის თვისებების დაკარგვის გარეშე. ეს არის ზუსტად ის, რაც მკვლევარებმა გააკეთეს.

რა თქმა უნდა, ჩვენ ვსაუბრობთ ნანომასალებზე. თუმცა, მათი გამოყენება თბოიზოლაციაში ადრე გართულდა იმით, რომ გამაგრილებლების ტალღის სიგრძე (ფონონები *) საგრძნობლად მოკლეა, ვიდრე ელექტრონები ან ფოტონები.

ფონონი* - კვაზინაწილაკი, რომელიც არის ბროლის ატომების ვიბრაციული მოძრაობის კვანტი.

გარდა ამისა, ფონონების ბოზონური ბუნების გამო, შეუძლებელია მათი კონტროლი ძაბვით (როგორც ეს ხდება მუხტის მატარებლების შემთხვევაში), რაც ზოგადად ართულებს მყარ სხეულებში სითბოს გადაცემის კონტროლს.

ადრე, მყარი ნივთიერებების თერმული თვისებები, როგორც მკვლევარები გვახსენებენ, კონტროლდებოდა ნანოლამინატის ფენების და ზელატიკების მეშვეობით სტრუქტურული აშლილობისა და მაღალი სიმკვრივის ინტერფეისების გამო, ან სილიციუმის და გერმანიუმის ნანომავთულხლართების მეშვეობით ძლიერი ფონონის გაფანტვის გამო.

ზემოაღწერილ თბოიზოლაციის მთელ რიგ მეთოდებს, მეცნიერები დარწმუნებით მზად არიან მიაწერონ ორგანზომილებიანი მასალები, რომელთა სისქე არ აღემატება რამდენიმე ატომს, რაც მათ ატომური მასშტაბით აადვილებს კონტროლს. მათ კვლევაში გამოიყენეს ვან დერ ვაალსი (vdW) ატომურად თხელი 2D ფენების შეკრება მათი ჰეტეროსტრუქტურის მანძილზე ძალიან მაღალი თერმული წინააღმდეგობის მისაღწევად.

ვან დერ ვაალის ძალები* — მოლეკულური/ატომთაშორისი ურთიერთქმედების ძალები ენერგიით 10-20 კჯ/მოლ.

ახალმა ტექნიკამ შესაძლებელი გახადა თერმული წინააღმდეგობის მიღება 2 ნმ სისქის vdW ჰეტეროსტრუქტურაში, რომელიც შედარებულია 2 ნმ სისქის SiO300 (სილიციუმის დიოქსიდი) ფენაში.

გარდა ამისა, vdW ჰეტეროსტრუქტურების გამოყენებამ შესაძლებელი გახადა კონტროლის მოპოვება თერმულ თვისებებზე ატომურ დონეზე ჰეტეროგენული XNUMXD მონოფენების ფენების მეშვეობით სხვადასხვა ატომური მასის სიმკვრივით და ვიბრაციული რეჟიმით.

მაშ ასე, კატის ულვაშებს ნუ ჩამოვჭიმავთ და დავიწყოთ ამ საოცარი კვლევის შედეგების განხილვა.

კვლევის შედეგები

პირველ რიგში, მოდით გავეცნოთ ამ კვლევაში გამოყენებული vdW ჰეტეროსტრუქტურების მიკროსტრუქტურულ და ოპტიკურ მახასიათებლებს.

სურათი #1

სურათზე 1а გვიჩვენებს ოთხფენიანი ჰეტეროსტრუქტურის განივი დიაგრამას, რომელიც შედგება (ზემოდან ქვემოდან): გრაფენი (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 და SiO2/Si სუბსტრატი. ყველა ფენის ერთდროულად სკანირებისთვის გამოიყენეთ რამანის ლაზერი* ტალღის სიგრძით 532 ნმ.

რამანის ლაზერი* - ლაზერის ტიპი, რომელშიც სინათლის გაძლიერების მთავარი მექანიზმია რამანის გაფანტვა.

რამანის გაფანტვათავის მხრივ, არის ოპტიკური გამოსხივების არაელასტიური გაფანტვა ნივთიერების მოლეკულებზე, რასაც თან ახლავს გამოსხივების სიხშირის მნიშვნელოვანი ცვლილება.

ჰეტეროსტრუქტურების მიკროსტრუქტურული, თერმული და ელექტრული ჰომოგენურობის დასადასტურებლად გამოყენებული იქნა რამდენიმე მეთოდი: სკანირების გადაცემის ელექტრონული მიკროსკოპია (STEM), ფოტოლუმინესცენციის სპექტროსკოპია (PL), კელვინის ზონდის მიკროსკოპია (KPM), სკანირების თერმული მიკროსკოპია (SThM), ასევე რამანის სპექტროსკოპია და თერმომეტრია.

Изображение 1b გვაჩვენებს Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 ჰეტეროსტრუქტურის რამანის სპექტრს SiO2/Si სუბსტრატზე წითელი წერტილით მონიშნულ ადგილას. ეს ნაკვეთი აჩვენებს თითოეული მონოფენის ხელმოწერას შრეების მასივში, ისევე როგორც Si სუბსტრატის ხელმოწერას.

წლის 1c-1f ნაჩვენებია ბნელი ველის STEM სურათები Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 ჰეტეროსტრუქტურის (1 ს) და Gr/MoS2/WSe22 ჰეტეროსტრუქტურები (1d-1f) სხვადასხვა გისოსებით ორიენტირებით. STEM გამოსახულებები აჩვენებს ატომურად მჭიდრო vdW ხარვეზებს ყოველგვარი დაბინძურების გარეშე, რაც საშუალებას აძლევს ამ ჰეტეროსტრუქტურების საერთო სისქეს სრულად ხილული იყოს. შრეთაშორისი შეერთების არსებობა ასევე დადასტურდა სკანირების დიდ უბნებზე ფოტოლუმინესცენციის (PL) სპექტროსკოპიის გამოყენებით.1g). ჰეტეროსტრუქტურის შიგნით ცალკეული ფენების ფოტოლუმინესცენტური სიგნალი მნიშვნელოვნად ჩახშობილია იზოლირებული მონოფენის სიგნალთან შედარებით. ეს აიხსნება შრეთაშორისი მუხტის გადაცემის პროცესით მჭიდრო ფენების ურთიერთქმედების გამო, რომელიც კიდევ უფრო ძლიერდება ანეილირების შემდეგ.

სურათი #2

ჰეტეროსტრუქტურის ატომური სიბრტყეების მიმართ პერპენდიკულარული სითბოს ნაკადის გასაზომად, ფენების მასივი სტრუქტურირებული იყო ოთხ-ზონდის ელექტრული მოწყობილობების სახით. გრაფენის ზედა ფენა უკავშირდება პალადიუმის (Pd) ელექტროდებს და გამოიყენება გამათბობლად რამანის თერმომეტრიის გაზომვებისთვის.

ელექტრული გათბობის ეს მეთოდი უზრუნველყოფს შეყვანის სიმძლავრის ზუსტ რაოდენობრივ განსაზღვრას. გათბობის კიდევ ერთი შესაძლო მეთოდი, ოპტიკური, უფრო რთული იქნება ცალკეული ფენების შთანთქმის კოეფიციენტების უგულებელყოფის გამო.

წლის 2а გვიჩვენებს ოთხი ზონდის საზომ წრეს და 2b აჩვენებს შესამოწმებელი სტრუქტურის ზედა ხედს. განრიგი 2 ს აჩვენებს სითბოს გადაცემის გაზომილ მახასიათებლებს სამი მოწყობილობისთვის, ერთი შეიცავს მხოლოდ გრაფენს და ორი შეიცავს Gr/WSe22 და Gr/MoSe2/WSe22 ფენების მასივებს. ყველა ვარიანტი აჩვენებს გრაფენის ამბიპოლარულ ქცევას, რაც ასოცირდება ზოლის უფსკრულის არარსებობასთან.

ასევე დადგინდა, რომ დენის გამტარობა და გათბობა ხდება ზედა ფენაში (გრაფენი), ვინაიდან მისი ელექტრული გამტარობა რამდენიმე რიგით მეტია, ვიდრე MoS2 და WSe22.

ტესტირებადი მოწყობილობების ჰომოგენურობის საჩვენებლად, გაზომვები იქნა მიღებული კელვინის ზონდის მიკროსკოპის (KPM) და სკანირების თერმული მიკროსკოპის (SThM) გამოყენებით. სქემაზე 2d KPM გაზომვები ნაჩვენებია პოტენციალის ხაზოვანი განაწილების გამოვლენით. SThM ანალიზის შედეგები ნაჩვენებია 2е. აქ ჩვენ ვხედავთ ელექტროდ გაცხელებული Gr/MoS2/WSe22 არხების რუკას, ასევე ზედაპირის გათბობაში ერთგვაროვნების არსებობას.

ზემოთ აღწერილი სკანირების ტექნიკა, კერძოდ SThM, დაადასტურა შესასწავლი სტრუქტურის ერთგვაროვნება, ანუ მისი ერთგვაროვნება ტემპერატურის თვალსაზრისით. შემდეგი ნაბიჯი იყო თითოეული შემადგენელი ფენის ტემპერატურის რაოდენობრივი განსაზღვრა რამანის სპექტროსკოპიის გამოყენებით (ანუ რამანის სპექტროსკოპია).

სამივე მოწყობილობა შემოწმდა, თითოეული ~40 μm2 ფართობით. ამ შემთხვევაში, გამათბობლის სიმძლავრე შეიცვალა 9 მვტ-ით, ხოლო შთანთქმის ლაზერის სიმძლავრე იყო ~5 μW-ზე დაბალი ლაზერული ლაქის ფართობით ~ 0.5 μm2.

სურათი #3

სქემაზე 3а თითოეული ფენისა და სუბსტრატის ტემპერატურის (∆T) მატება შესამჩნევია Gr/MoS2/WSe22 ჰეტეროსტრუქტურაში გამათბობლის სიმძლავრის ზრდისას.

ხაზოვანი ფუნქციის დახრილობა თითოეული მასალისთვის (ფენისთვის) მიუთითებს თერმულ წინააღმდეგობას (Rth=∆T/P) ცალკეულ ფენასა და გამათბობელს შორის. ფართობზე გათბობის ერთგვაროვანი განაწილების გათვალისწინებით, თერმული წინააღმდეგობები ადვილად შეიძლება გაანალიზდეს ქვემოდან ზედა ფენამდე, რომლის დროსაც მათი მნიშვნელობები ნორმალიზდება არხის ფართობზე (WL).

L და W არის არხის სიგრძე და სიგანე, რომლებიც მნიშვნელოვნად აღემატება SiO2 სუბსტრატის სისქეს და გვერდითი თერმული გათბობის სიგრძეს, რომელიც არის ~0.1 μm.

ამრიგად, ჩვენ შეგვიძლია გამოვიტანოთ Si სუბსტრატის თერმული წინააღმდეგობის ფორმულა, რომელიც ასე გამოიყურება:

Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kსი)

Ამ სიტუაციაში kSi ≈ 90 W m−1 K−1, რომელიც არის მოსალოდნელი თერმული კონდუქტომეტრული ასეთი მაღალ დოპირებული სუბსტრატის.

განსხვავება Rth,WSe2 და Rth,Si შორის არის 2 ნმ სისქის SiO100 თერმული წინააღმდეგობის ჯამი და WSe2/SiO2 ინტერფეისის თერმული საზღვრის წინააღმდეგობის (TBR).

ყველა ზემოთ ჩამოთვლილი ასპექტის ერთად შეკრებით, შეგვიძლია დავადგინოთ, რომ Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2 და Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. მაშასადამე, გრაფიკიდან 3а შესაძლებელია TBR მნიშვნელობის ამოღება WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 და Gr/MoS2 თითოეული ინტერფეისისთვის.

შემდეგ, მეცნიერებმა შეადარეს ყველა ჰეტეროსტრუქტურის მთლიანი თერმული წინააღმდეგობა, რომელიც იზომება რამანის სპექტროსკოპიისა და თერმული მიკროსკოპის გამოყენებით (3b).

SiO2-ზე ორფენიანი და სამშრიანი ჰეტეროსტრუქტურები აჩვენებდნენ ეფექტურ თერმულ წინააღმდეგობას 220-დან 280 მ2 K/GW დიაპაზონში ოთახის ტემპერატურაზე, რაც უდრის SiO2-ის თერმული წინააღმდეგობის 290-დან 360 ნმ სისქით. მიუხედავად იმისა, რომ შესწავლილი ჰეტეროსტრუქტურების სისქე არ აღემატება 2 ნმ (1d-1f), მათი თბოგამტარობა არის 0.007-0.009 W m−1 K−1 ოთახის ტემპერატურაზე.

სურათი #4

სურათი 4 გვიჩვენებს ოთხივე სტრუქტურის გაზომვებს და მათი ინტერფეისების თერმული საზღვრის გამტარობას (TBC), რაც საშუალებას გვაძლევს შევაფასოთ თითოეული ფენის გავლენის ხარისხი ადრე გაზომულ თერმულ წინააღმდეგობაზე (TBC = 1 / TBR).

მკვლევარები აღნიშნავენ, რომ ეს არის პირველი TBC გაზომვა ატომურად მჭიდრო ინტერფეისებისთვის ცალკეულ მონოფენებს შორის (2D/2D), კონკრეტულად WSe2 და SiO2 მონოფენებს შორის.

ერთფენიანი WSe2/SiO2 ინტერფეისის TBC უფრო დაბალია, ვიდრე მრავალშრიანი WSe2/SiO2 ინტერფეისი, რაც გასაკვირი არ არის, ვინაიდან მონოფენის მნიშვნელოვნად ნაკლები მოსახვევი ფონონის რეჟიმები ხელმისაწვდომია გადაცემისთვის. მარტივად რომ ვთქვათ, 2D ფენებს შორის ინტერფეისის TBC უფრო დაბალია, ვიდრე TBC 2D ფენასა და 3D SiO2 სუბსტრატს შორის (4b).

კვლევის ნიუანსების უფრო დეტალური გაცნობისთვის გირჩევთ ნახოთ მეცნიერები იუწყებიან и დამატებითი მასალები მას.

ეპილოგი

ეს კვლევა, როგორც თავად მეცნიერები ამტკიცებენ, გვაძლევს ცოდნას, რომლის გამოყენებაც შესაძლებელია ატომური თერმული ინტერფეისების განხორციელებაში. ამ ნამუშევარმა აჩვენა თბოიზოლაციის მეტამასალების შექმნის შესაძლებლობა, რომელთა თვისებები ბუნებაში არ არის ნაპოვნი. გარდა ამისა, კვლევამ ასევე დაადასტურა ასეთი სტრუქტურების ზუსტი ტემპერატურის გაზომვების შესაძლებლობა, მიუხედავად ფენების ატომური მასშტაბისა.

ზემოთ აღწერილი ჰეტეროსტრუქტურები შეიძლება გახდეს ულტრა მსუბუქი და კომპაქტური თერმული "ფარების" საფუძველი, რომელსაც შეუძლია, მაგალითად, ამოიღოს სითბო ელექტრონიკის ცხელი წერტილებიდან. გარდა ამისა, ეს ტექნოლოგია შეიძლება გამოყენებულ იქნას თერმოელექტრო გენერატორებში ან თერმულად კონტროლირებად მოწყობილობებში, რაც ზრდის მათ შესრულებას.

ეს კვლევა კიდევ ერთხელ ადასტურებს, რომ თანამედროვე მეცნიერება სერიოზულად არის დაინტერესებული „თიხის ეფექტურობის“ პრინციპით, რომელსაც არ შეიძლება ეწოდოს სულელური იდეა, პლანეტის შეზღუდული რესურსების და ყველა სახის ტექნოლოგიურ ინოვაციებზე მოთხოვნის უწყვეტი ზრდის გათვალისწინებით.

გმადლობთ ყურადღებისთვის, იყავით ცნობისმოყვარეები და წარმატებულ კვირას გისურვებთ ყველას! 🙂

გმადლობთ, რომ დარჩით ჩვენთან. მოგწონთ ჩვენი სტატიები? გსურთ ნახოთ უფრო საინტერესო შინაარსი? მხარი დაგვიჭირეთ შეკვეთის განთავსებით ან მეგობრებისთვის რეკომენდაციით, 30% ფასდაკლება Habr-ის მომხმარებლებისთვის საწყისი დონის სერვერების უნიკალურ ანალოგზე, რომელიც ჩვენ მიერ გამოგონილია თქვენთვის: მთელი სიმართლე VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps 20$-დან ან როგორ გავაზიარო სერვერი? (ხელმისაწვდომია RAID1 და RAID10-ით, 24 ბირთვამდე და 40 გბ-მდე DDR4).

Dell R730xd 2-ჯერ იაფია? Მხოლოდ აქ 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ტელევიზორი $199-დან ნიდერლანდებში! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - $99-დან! Წაიკითხო რაღაცის შესახებ როგორ ავაშენოთ ინფრასტრუქტურის კორპუსი. კლასი Dell R730xd E5-2650 v4 სერვერების გამოყენებით 9000 ევროს ღირებულების პენი?

წყარო: www.habr.com