Xbox 360 дәуірін бастан өткерген дүние жүзіндегі көптеген ойыншылар олардың консолі жұмыртқа қуыратын табаға айналған кездегі жағдайды жақсы біледі. Осындай қайғылы жағдай тек ойын консольдерінде ғана емес, телефондарда, ноутбуктерде, планшеттерде және т.б. Негізінде кез келген дерлік электронды құрылғы термиялық соққыға ұшырауы мүмкін, бұл оның істен шығуына және иесінің ренжітуіне ғана емес, сонымен қатар батареяның «жаман бумына» және ауыр жарақатқа әкелуі мүмкін. Бүгін біз комикстегі Ник Фьюри сияқты Стэнфорд университетінің ғалымдары ыстыққа сезімтал электронды бөлшектерді қызып кетуден қорғайтын және соның нәтижесінде олардың бұзылуына жол бермейтін қалқан жасаған зерттеумен танысамыз. Ғалымдар термиялық қалқанды қалай жасай алды, оның негізгі компоненттері қандай және ол қаншалықты тиімді? Бұл және тағы басқалар туралы зерттеу тобының баяндамасынан білеміз. Бар.
Зерттеу негізі
Қызып кету мәселесі өте ұзақ уақыт бойы белгілі және ғалымдар оны әртүрлі жолдармен шешеді. Ең танымалдардың кейбірі - жылу сәулеленуінің оқшаулағышы ретінде қызмет ететін шыны, пластик және тіпті ауа қабаттарын пайдалану. Қазіргі заманғы шындықтарда бұл әдісті жылу оқшаулау қасиеттерін жоғалтпай, қорғаныс қабатының қалыңдығын бірнеше атомға дейін азайту арқылы жақсартуға болады. Зерттеушілер дәл осылай жасады.
Біз, әрине, наноматериалдар туралы айтып отырмыз. Дегенмен, оларды жылу оқшаулауда пайдалану бұрын салқындатқыштардың толқын ұзындығы (фонондар*) электрондарға немесе фотондарға қарағанда айтарлықтай қысқа.
Фонон* - кристал атомдарының тербеліс қозғалысының кванты болып табылатын квазибөлшек.
Сонымен қатар, фонондардың бозондық сипатына байланысты, оларды кернеумен басқару мүмкін емес (заряд тасымалдаушылармен бірдей), бұл әдетте қатты денелердегі жылу алмасуды бақылауды қиындатады.
Бұрын қатты заттардың жылулық қасиеттері, зерттеушілер еске салғандай, құрылымдық бұзылулар мен жоғары тығыздықты интерфейстерге байланысты наноламинатты пленкалар мен суперторлар арқылы немесе күшті фонондардың шашырауына байланысты кремний мен германий нано сымдары арқылы бақыланатын.
Жоғарыда сипатталған жылу оқшаулау әдістерінің бірқатарына ғалымдар екі өлшемді материалдарды жатқызуға дайын, олардың қалыңдығы бірнеше атомнан аспайды, бұл оларды атомдық масштабта басқаруды жеңілдетеді. Олар өз зерттеулерінде пайдаланды Ван дер Ваальс (vdW) атомдық жұқа 2D қабаттарды құрастыру, олардың бүкіл гетероқұрылымында өте жоғары жылу кедергісіне қол жеткізу.
Ван дер Ваальс күштері* — энергиясы 10-20 кДж/моль болатын молекулааралық/атомаралық әрекеттесу күштері.
Жаңа техника қалыңдығы 2 нм SiO2 (кремний диоксиді) қабатындағымен салыстырылатын 300 нм қалыңдығы vdW гетероструктурасында жылу кедергісін алуға мүмкіндік берді.
Сонымен қатар, vdW гетероқұрылымдарын пайдалану атомдық деңгейде әртүрлі атомдық массалық тығыздықтағы және тербеліс режимдерімен гетерогенді XNUMXD моноқабаттарды қабаттау арқылы жылу қасиеттерін бақылауға мүмкіндік берді.
Сонымен, мысықтың мұртын тартпай-ақ, осы таңғажайып зерттеудің нәтижелерін қарастыруға кірісейік.
Зерттеу нәтижелері
Ең алдымен, осы зерттеуде пайдаланылған vdW гетероқұрылымдарының микроқұрылымдық және оптикалық сипаттамаларымен танысайық.
№1 сурет
Сурет бойынша 1а (жоғарыдан төменге қарай): графен (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 және SiO2/Si субстратынан тұратын төрт қабатты гетероқұрылымның көлденең қимасының диаграммасын көрсетеді. Барлық қабаттарды бір уақытта сканерлеу үшін пайдаланыңыз Раман лазері* толқын ұзындығы 532 нм.
Раман лазері* - жарықты күшейтудің негізгі механизмі Раманның шашырауы болып табылатын лазер түрі.
Раманның шашырауы, өз кезегінде, оптикалық сәулеленудің зат молекулаларына серпімді емес шашырауы, бұл сәулелену жиілігінің айтарлықтай өзгеруімен бірге жүреді.
Гетероқұрылымдардың микроқұрылымдық, жылулық және электрлік біртектілігін растау үшін бірнеше әдістер қолданылды: сканерлеуші трансмиссиялық электронды микроскопия (STEM), фотолюминесценциялық спектроскопия (PL), Кельвин зонд микроскопиясы (KPM), сканерлеуші термиялық микроскопия (SThM), сондай-ақ Раман спектроскопиясы және термометрия.
бейне 1b қызыл нүктемен белгіленген жерде SiO2/Si субстратындағы Gr/MoSe2/MoS22/WSe2 гетероструктурасының Раман спектрін көрсетеді. Бұл сызба қабат массивіндегі әрбір моноқабаттың қолтаңбасын, сондай-ақ Si субстратының қолтаңбасын көрсетеді.
туралы 1c-1f Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 гетероструктурасының қараңғы өріс STEM кескіндері көрсетілген (1c) және Gr/MoS2/WSe22 гетероқұрылымдары (1d-1f) әртүрлі тор бағдарларымен. STEM кескіндері ешқандай ластанусыз атомдық түрде жақын vdW бос жерлерін көрсетеді, бұл осы гетероқұрылымдардың жалпы қалыңдығын толығымен көруге мүмкіндік береді. Фотолюминесценция (PL) спектроскопиясы (PL) көмегімен үлкен сканерлеу аумақтарында қабат аралық қосылыстардың болуы да расталды.1g). Гетероқұрылым ішіндегі жеке қабаттардың фотолюминесценттік сигналы оқшауланған моноқабаттың сигналымен салыстырғанда айтарлықтай басылады. Бұл күйдіруден кейін одан да күшейетін қабат аралық тығыз әрекеттесу есебінен қабат аралық зарядты тасымалдау процесімен түсіндіріледі.
№2 сурет
Гетероқұрылымның атомдық жазықтықтарына перпендикуляр жылу ағынын өлшеу үшін қабаттар массиві төрт зондты электр құрылғылары түрінде құрылымдалған. Графеннің жоғарғы қабаты палладий (Pd) электродтарымен байланысады және Раман термометриясын өлшеу үшін қыздырғыш ретінде пайдаланылады.
Бұл электрлік қыздыру әдісі кіріс қуатының нақты мөлшерін қамтамасыз етеді. Басқа ықтимал қыздыру әдісі, оптикалық, жеке қабаттардың сіңіру коэффициенттерін білмеуіне байланысты жүзеге асыру қиынырақ болады.
туралы 2а төрт зондты өлшеу схемасын көрсетеді, және 2b сыналатын құрылымның жоғарғы көрінісін көрсетеді. Кесте 2c бірінде тек графен және екеуі Gr/WSe22 және Gr/MoSe2/WSe22 қабат массивтері бар үш құрылғы үшін өлшенген жылу беру сипаттамаларын көрсетеді. Барлық нұсқалар графеннің амбиполярлық әрекетін көрсетеді, бұл жолақ саңылауының болмауымен байланысты.
Сондай-ақ, ток өткізгіштігі мен қызуы жоғарғы қабатта (графен) болатыны анықталды, өйткені оның электр өткізгіштігі MoS2 және WSe22 деңгейінен бірнеше рет жоғары.
Сыналған құрылғылардың біртектілігін көрсету үшін Келвин зондты микроскопия (KPM) және сканерлеуші термиялық микроскопия (SThM) арқылы өлшемдер алынды. Диаграммада 2d KPM өлшемдері сызықтық әлеуетті бөлуді көрсететін көрсетіледі. SThM талдау нәтижелері көрсетілген 2е. Мұнда біз электрлік жылытылатын Gr/MoS2/WSe22 арналарының картасын, сонымен қатар беттік қыздыруда біркелкіліктің болуын көреміз.
Жоғарыда сипатталған сканерлеу әдістері, атап айтқанда SThM, зерттелетін құрылымның біртектілігін, яғни температуралар бойынша оның біртектілігін растады. Келесі қадам Раман спектроскопиясы (яғни, Раман спектроскопиясы) көмегімен құрамдас қабаттардың әрқайсысының температурасын анықтау болды.
Барлық үш құрылғы да сыналған, әрқайсысының ауданы ~ 40 мкм2. Бұл жағдайда қыздырғыштың қуаты 9 мВт-қа өзгерді, ал жұтылған лазер қуаты ~5 мкм0.5 лазерлік нүкте ауданымен ~2 мкВт-тан төмен болды.
№3 сурет
Диаграммада 3а Gr/MoS2/WSe22 гетероқұрылымындағы қыздырғыш қуаты артқан сайын әрбір қабат пен негіздің температурасының (∆T) жоғарылауы көрінеді.
Әрбір материал (қабат) үшін сызықтық функцияның еңістері жеке қабат пен жылу қабылдағыш арасындағы жылу кедергісін (Rth=∆T/P) көрсетеді. Аймақ бойынша қыздырудың біркелкі таралуын ескере отырып, жылу кедергілерін төменнен жоғарғы қабатқа оңай талдауға болады, оның барысында олардың мәндері арна ауданы (WL) арқылы қалыпқа келтіріледі.
L және W - арнаның ұзындығы мен ені, олар SiO2 субстратының қалыңдығынан және ~0.1 мкм болатын бүйірлік жылу қыздыру ұзындығынан айтарлықтай үлкен.
Сондықтан Si субстратының жылу кедергісінің формуласын шығаруға болады, ол келесідей болады:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
Бұл жағдайда kSi ≈ 90 Вт m−1 K−1, бұл жоғары легирленген субстраттың күтілетін жылу өткізгіштігі.
Rth,WSe2 және Rth,Si арасындағы айырмашылық қалыңдығы 2 нм SiO100 жылу кедергісінің және WSe2/SiO2 интерфейсінің термиялық шекаралық кедергісінің (TBR) қосындысы болып табылады.
Жоғарыда аталған барлық аспектілерді біріктіре отырып, Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2 және Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2 екенін анықтай аламыз. Сондықтан, графиктен 3а WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 және Gr/MoS2 интерфейстерінің әрқайсысы үшін TBR мәнін шығаруға болады.
Әрі қарай ғалымдар Раман спектроскопиясы мен термиялық микроскопия көмегімен өлшенген барлық гетероқұрылымдардың жалпы жылу кедергісін салыстырды.3b).
SiO2 бойынша екіқабатты және үшқабатты гетероқұрылымдар бөлме температурасында 220-дан 280 м2 К/ГВт-қа дейінгі диапазондағы тиімді жылу кедергісін көрсетті, бұл қалыңдығы 2-нан 290 нм-ге дейінгі SiO360 жылу кедергісіне баламалы. Зерттелетін гетероқұрылымдардың қалыңдығы 2 нм-ден аспайтынына қарамастан (1d-1f), олардың жылу өткізгіштігі бөлме температурасында 0.007-0.009 Вт m−1 К−1.
№4 сурет
4-суретте барлық төрт құрылымның өлшемдері және олардың интерфейстерінің жылу шекаралық өткізгіштігі (TBC) көрсетілген, бұл бізге бұрын өлшенген жылу кедергісіне (TBC = 1 / TBR) әрбір қабаттың әсер ету дәрежесін бағалауға мүмкіндік береді.
Зерттеушілер бұл бөлек моноқабаттар (2D/2D), әсіресе WSe2 және SiO2 моноқабаттары арасындағы атомдық жақын интерфейстерге арналған тұңғыш рет TBC өлшемі екенін атап өтті.
WSe2/SiO2 моноқабатты интерфейсінің TBC мәні көп қабатты WSe2/SiO2 интерфейсіне қарағанда төмен, бұл таңқаларлық емес, өйткені моноқабатта жіберу үшін қол жетімді иілу фонон режимдері айтарлықтай аз. Қарапайым тілмен айтқанда, 2D қабаттары арасындағы интерфейстің TBC мәні 2D қабаты мен 3D SiO2 субстраты арасындағы интерфейстің TBC мәнінен төмен (4b).
Зерттеудің нюанстарымен толығырақ танысу үшін мен қарауды ұсынамын и оған.
Эпилогия
Бұл зерттеу, ғалымдардың өздері мәлімдегендей, бізге атомдық жылу интерфейстерін жүзеге асыруда қолдануға болатын білім береді. Бұл жұмыс қасиеттері табиғатта кездеспейтін жылу оқшаулағыш метаматериалдар жасау мүмкіндігін көрсетті. Сонымен қатар, зерттеу қабаттардың атомдық масштабына қарамастан, мұндай құрылымдардың дәл температуралық өлшеулерін жүргізу мүмкіндігін растады.
Жоғарыда сипатталған гетероқұрылымдар, мысалы, электроникадағы ыстық нүктелерден жылуды кетіруге қабілетті ультра жеңіл және ықшам термиялық «қалқаншалар» үшін негіз бола алады. Сонымен қатар, бұл технология термоэлектрлік генераторларда немесе термиялық басқарылатын құрылғыларда қолданылуы мүмкін, олардың өнімділігін арттырады.
Бұл зерттеу планетаның шектеулі ресурстарын және технологиялық инновациялардың барлық түрлеріне сұраныстың үздіксіз өсуін ескере отырып, ақымақ идея деп атауға болмайтын заманауи ғылымның «ойықтағы тиімділік» принципіне шындап қызығушылық танытатынын тағы бір рет растайды.
Назарларыңызға рахмет, қызықты болыңыз және баршаңызға жақсы апта болсын! 🙂
Бізбен бірге болғандарыңызға рахмет. Сізге біздің мақалалар ұнайды ма? Қызықты мазмұнды көргіңіз келе ме? Тапсырыс беру немесе достарыңызға ұсыну арқылы бізге қолдау көрсетіңіз, Habr пайдаланушылары үшін біз сіз үшін ойлап тапқан бастапқы деңгейдегі серверлердің бірегей аналогына 30% жеңілдік: (RAID1 және RAID10, 24 ядроға дейін және 40 ГБ DDR4 дейін қол жетімді).
Dell R730xd 2 есе арзан ба? Тек осында Нидерландыда! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 ГГц 6C 128 ГБ DDR3 2x960 ГБ SSD 1 Гбит/с 100 ТБ - 99 доллардан бастап! туралы оқыңыз
Ақпарат көзі: www.habr.com