노트북이 있다면 가열 패드가 필요한 이유: 원자 수준의 열 저항에 대한 연구

Xbox 360 시대를 경험한 전 세계의 많은 게이머들은 자신의 콘솔이 계란을 튀길 수 있는 프라이팬으로 변했던 상황을 매우 잘 알고 있습니다. 유사한 슬픈 상황은 게임 콘솔뿐만 아니라 휴대폰, 노트북, 태블릿 등에서도 발생합니다. 원칙적으로 거의 모든 전자 장치는 열충격을 경험할 수 있으며, 이는 장치의 고장과 소유자의 화를 유발할 뿐만 아니라 배터리의 "불량 붐"과 심각한 부상을 초래할 수도 있습니다. 오늘 우리는 만화 속 Nick Fury와 같은 스탠포드 대학의 과학자들이 열에 민감한 전자 부품이 과열되는 것을 방지하고 결과적으로 고장을 방지하는 쉴드를 만든 연구에 대해 알게 될 것입니다. 과학자들은 열 차폐 장치를 어떻게 만들었으며, 주요 구성 요소는 무엇이며 얼마나 효과적입니까? 우리는 연구 그룹의 보고서에서 이에 대해 더 많은 것을 배웁니다. 가다.

연구기반

과열 문제는 오랫동안 알려져 왔으며 과학자들은 다양한 방법으로 이를 해결합니다. 가장 인기 있는 것 중 일부는 유리, 플라스틱, 심지어 공기층을 사용하는 것인데, 이는 일종의 열복사 절연체 역할을 합니다. 현대 현실에서는 단열 특성을 잃지 않고 보호층의 두께를 여러 원자로 줄임으로써 이 방법을 개선할 수 있습니다. 연구자들이 바로 그런 일을 했습니다.

물론 우리는 나노물질에 관해 이야기하고 있습니다. 그러나 이전에는 냉각수의 파장(포논*)은 전자나 광자보다 훨씬 짧습니다.

포논* - 결정 원자의 진동 운동의 양자인 준입자.

또한, 포논의 보존 특성으로 인해 전압으로 제어하는 ​​것이 불가능하며(전하 캐리어의 경우와 마찬가지로) 일반적으로 고체에서 열 전달을 제어하기가 어렵습니다.

이전에 연구자들이 상기한 바와 같이 고체의 열적 특성은 구조적 장애와 고밀도 인터페이스로 인해 나노적층 필름과 초격자를 통해 제어되거나 강한 포논 산란으로 인해 실리콘 및 게르마늄 나노와이어를 통해 제어되었습니다.

위에서 설명한 여러 가지 단열 방법에 대해 과학자들은 두께가 여러 원자를 초과하지 않는 XNUMX차원 재료를 자신 있게 정의할 준비가 되어 있어 원자 규모로 쉽게 제어할 수 있습니다. 그들의 연구에서 그들은 사용했습니다 반 데르 발스 (vdW) 원자적으로 얇은 2D 층을 조립하여 이종 구조 전반에 걸쳐 매우 높은 열 저항을 달성합니다.

반 데르 발스 힘* — 10-20 kJ/mol 에너지의 분자간/원자간 상호작용력.

새로운 기술을 통해 2nm 두께의 SiO2(이산화규소) 층의 열 저항과 비슷한 300nm 두께의 vdW 헤테로구조에서 열 저항을 얻을 수 있었습니다.

또한 vdW 이종 구조를 사용하면 원자 질량 밀도와 진동 모드가 다른 이종 XNUMXD 단층의 레이어링을 통해 원자 수준에서 열 특성을 제어할 수 있게 되었습니다.

그러니 고양이 수염을 당기지 말고 이 놀라운 연구의 결과를 생각해 봅시다.

연구 결과

먼저, 본 연구에 사용된 vdW 이종구조의 미세구조적, 광학적 특성에 대해 알아봅시다.

이미지 #1

이미지에 1а 은 그래핀(Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 및 SiO2/Si 기판으로 구성된(위에서 아래로) XNUMX층 헤테로 구조의 단면도를 보여줍니다. 모든 레이어를 동시에 스캔하려면 라만 레이저* 532nm의 파장을 가지고 있습니다.

라만 레이저* - 광 증폭의 주요 메커니즘이 라만 산란인 레이저 유형입니다.

라만 산란, 차례로, 물질의 분자에 대한 광학 방사선의 비탄성 산란이며, 이는 방사선 주파수의 상당한 변화를 동반합니다.

이종 구조의 미세 구조, 열 및 전기적 균질성을 확인하기 위해 주사 투과 전자 현미경(STEM), 광발광 분광법(PL), 켈빈 탐침 현미경(KPM), 주사 열 현미경(SThM), 라만 분광법 등 여러 가지 방법이 사용되었습니다. 온도계 .

Изображение 1b 는 빨간색 점으로 표시된 위치에서 SiO2/Si 기판의 Gr/MoSe2/MoS22/WSe2 헤테로 구조의 라만 스펙트럼을 보여줍니다. 이 플롯은 레이어 배열의 각 단층의 시그니처와 Si 기판의 시그니처를 보여줍니다.

에 1c-1f Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 이종 구조의 암시야 STEM 이미지가 표시됩니다(1c) 및 Gr/MoS2/WSe22 이종구조(1d-1f) 격자 방향이 다릅니다. STEM 이미지는 오염 없이 원자적으로 가까운 vdW 간격을 보여 주므로 이러한 이종 구조의 전체 두께를 완전히 볼 수 있습니다. 층간 결합의 존재는 또한 광발광(PL) 분광학을 사용하여 넓은 스캐닝 영역에서 확인되었습니다.1g). 이종 구조 내부의 개별 층의 광발광 신호는 분리된 단층의 신호에 비해 크게 억제됩니다. 이는 긴밀한 층간 상호 작용으로 인한 층간 전하 이동 과정으로 설명되며, 이는 어닐링 후에 더욱 강해집니다.

이미지 #2

이종 구조의 원자 평면에 수직인 열 흐름을 측정하기 위해 층 배열을 XNUMX개의 프로브 전기 장치 형태로 구성했습니다. 그래핀의 최상층은 팔라듐(Pd) 전극과 접촉하며 라만 온도 측정을 위한 히터로 사용됩니다.

이 전기 가열 방법은 입력 전력의 정확한 정량화를 제공합니다. 또 다른 가능한 가열 방법인 광학은 개별 층의 흡수 계수를 모르기 때문에 구현하기가 더 어렵습니다.

에 2а XNUMX개의 프로브 측정 회로를 보여줍니다. 2b 테스트 중인 구조의 평면도를 보여줍니다. 일정 2c 은 그래핀만 포함하는 장치와 Gr/WSe22 및 Gr/MoSe2/WSe22 층 배열을 포함하는 두 장치의 측정된 열 전달 특성을 보여줍니다. 모든 변형은 밴드 갭이 없는 것과 관련된 그래핀의 양극성 거동을 보여줍니다.

또한 전기 전도도가 MoS2 및 WSe22보다 몇 자릿수 높기 때문에 상위층(그래핀)에서 전류 전도 및 가열이 발생하는 것으로 밝혀졌습니다.

테스트된 장치의 균질성을 입증하기 위해 KPM(Kelvin 탐침 현미경) 및 SThM(주사 열 현미경)을 사용하여 측정을 수행했습니다. 차트에서 2d KPM 측정값이 표시되어 선형 전위 분포를 나타냅니다. SThM 분석 결과는 다음과 같습니다. 2е. 여기서 우리는 전기적으로 가열된 Gr/MoS2/WSe22 채널의 맵과 표면 가열의 균일성을 볼 수 있습니다.

위에서 설명한 스캐닝 기술, 특히 SThM은 연구 중인 구조의 균질성, 즉 온도 측면에서 균질성을 확인했습니다. 다음 단계는 라만 분광법(즉, 라만 분광법)을 이용하여 각 구성층의 온도를 정량화하는 것이었다.

세 가지 장치 모두 테스트되었으며 각각의 면적은 ~40 µm2입니다. 이 경우 히터 전력은 9mW만큼 변경되었으며 흡수된 레이저 전력은 레이저 스폿 면적이 ~5μm0.5인 경우 ~2μW 미만이었습니다.

이미지 #3

차트에서 3а Gr/MoS2/WSe22 헤테로 구조의 히터 전력이 증가함에 따라 각 층과 기판의 온도(ΔT)가 증가하는 것을 볼 수 있습니다.

각 재료(층)에 대한 선형 함수의 기울기는 개별 층과 방열판 사이의 열 저항(Rth=ΔT/P)을 나타냅니다. 영역 전체에 균일한 가열 분포가 주어지면 열 저항은 아래쪽에서 위쪽 레이어까지 쉽게 분석될 수 있으며, 그 동안 해당 값은 채널 영역(WL)으로 정규화됩니다.

L과 W는 채널 길이와 폭으로, SiO2 기판의 두께와 ~0.1μm인 측면 열 가열 길이보다 훨씬 큽니다.

따라서 Si 기판의 열 저항에 대한 공식을 도출할 수 있으며 이는 다음과 같습니다.

Rth,Si ≒ (WL)1/2 / (2k시)

이러한 상황에서 kSi ≒ 90 W m−1 K−1. 이는 고도로 도핑된 기판의 예상 열 전도성입니다.

Rth,WSe2와 Rth,Si의 차이는 2nm 두께의 SiO100의 열 저항과 WSe2/SiO2 계면의 열 경계 저항(TBR)의 합입니다.

위의 모든 측면을 종합하면 Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2임을 알 수 있습니다. 그러므로 그래프로부터 3а WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 및 Gr/MoS2 인터페이스 각각에 대한 TBR 값을 추출할 수 있습니다.

다음으로, 과학자들은 라만 분광법과 열 현미경을 사용하여 측정된 모든 이종 구조의 총 열 저항을 비교했습니다.3b).

SiO2의 이중층 및 삼중층 이종 구조는 실온에서 220~280m2K/GW 범위의 효과적인 열 저항을 나타냈는데, 이는 두께가 2~290nm인 SiO360의 열 저항과 동일합니다. 연구 중인 이종 구조의 두께가 2 nm를 초과하지 않는다는 사실에도 불구하고 (1d-1f), 열전도도는 실온에서 0.007-0.009 Wm−1 K−1입니다.

이미지 #4

이미지 4는 1개 구조 모두의 측정값과 해당 인터페이스의 열 경계 전도도(TBC)를 보여줍니다. 이를 통해 이전에 측정된 열 저항(TBC = XNUMX/TBR)에 대한 각 레이어의 영향 정도를 평가할 수 있습니다.

연구원들은 이것이 별도의 단층(2D/2D) 사이, 특히 WSe2와 SiO2 단층 사이의 원자적으로 가까운 인터페이스에 대한 최초의 TBC 측정이라고 지적했습니다.

단층 WSe2/SiO2 인터페이스의 TBC는 다층 WSe2/SiO2 인터페이스의 TBC보다 낮습니다. 이는 단층이 전송에 사용할 수 있는 굽힘 포논 모드가 훨씬 적기 때문에 놀라운 일이 아닙니다. 간단히 말해서, 2D 층 사이의 경계면의 TBC는 2D 층과 3D SiO2 기판 사이의 경계면의 TBC보다 낮습니다(4b).

연구의 뉘앙스에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하는 것이 좋습니다. 과학자 보고서 и 추가 자료 그에게.

커튼콜

과학자들이 주장하는 것처럼 이 연구는 원자 열 인터페이스 구현에 적용할 수 있는 지식을 제공합니다. 이 연구는 자연에서 찾을 수 없는 특성을 지닌 단열 메타물질을 만들 수 있는 가능성을 보여주었습니다. 또한 이번 연구는 층의 원자 규모에도 불구하고 이러한 구조의 정확한 온도 측정을 수행할 수 있는 가능성도 확인했습니다.

위에 설명된 헤테로 구조는 예를 들어 전자 제품의 핫스팟에서 열을 제거할 수 있는 초경량 및 소형 열 "차폐"의 기초가 될 수 있습니다. 또한 이 기술은 열전 발전기나 열 제어 장치에 사용되어 성능을 높일 수 있습니다.

이번 연구는 지구의 제한된 자원과 온갖 기술 혁신에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있는 상황에서 어리석은 생각이라고 할 수 없는 '골무 속의 효율성' 원리에 현대 과학이 진지하게 관심을 갖고 있음을 다시 한번 확인시켜준다.

많은 관심 부탁드리며 모두들 즐거운 한주 보내세요! 🙂

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출처 : habr.com