Дүйнө жүзү боюнча Xbox 360 доорун башынан өткөргөн көптөгөн оюнчулар консолу жумуртка кууруп турган табага айланган кырдаалды жакшы билишет. Ушундай кейиштүү жагдай оюн консолдорунда гана эмес, телефондордо, ноутбуктарда, планшеттерде жана башка көптөгөн нерселерде да кездешет. Негизи, дээрлик бардык электрондук шайман термикалык соккуга дуушар болушу мүмкүн, бул анын иштебей калышына жана анын ээсинин капа болушуна гана эмес, ошондой эле батареянын "жаман бумуна" жана олуттуу жаракатка алып келиши мүмкүн. Бүгүн биз Стэнфорд университетинин окумуштуулары комикстеги Ник Фьюри сыяктуу ысыкка сезгич электрондук тетиктерди ашыкча ысып кетүүдөн коргоп, натыйжада алардын сынуусунан сактай турган калкан жасаган изилдөө менен таанышабыз. Окумуштуулар жылуулук калканчын кантип түзө алышты, анын негизги компоненттери кайсылар жана ал канчалык эффективдүү? Бул тууралуу жана башкаларды изилдөө тобунун баяндамасынан билебиз. Go.
Изилдөөнүн негизи
Ашыкча ысып кетүү маселеси көптөн бери белгилүү жана окумуштуулар аны ар кандай жолдор менен чечишет. абдан популярдуу кээ бир жылуулук нурлануунун изоляторлорунун бир түрү катары кызмат кылган айнек, пластмасса жана ал тургай, аба катмарын пайдалануу болуп саналат. Заманбап реалдуулукта бул ыкманы жылуулук изоляциялык касиеттерин жоготпостон, коргоочу катмардын калыңдыгын бир нече атомдорго чейин кыскартуу аркылуу жакшыртууга болот. Изилдөөчүлөр дал ушундай кылышкан.
Биз, албетте, наноматериалдар жөнүндө сөз болуп жатат. Бирок, аларды жылуулук изоляциясында колдонуу мурда муздаткычтардын толкун узундугунун (фонондор*) электрондорго же фотондорго караганда кыйла кыска.
Фонон* - кристалл атомдорунун термелүү кыймылынын кванты болгон квазибөлүкчө.
Мындан тышкары, фонондордун бозондук мүнөзүнөн улам аларды чыңалуу менен башкаруу мүмкүн эмес (зарядды алып жүрүүчүлөр сыяктуу), бул жалпысынан катуу заттардагы жылуулук өткөрүүнү башкарууну кыйындатат.
Мурда катуу заттардын жылуулук касиеттери, изилдөөчүлөр бизге эскерткендей, структуралык бузулуулардан жана жогорку тыгыздыктагы интерфейстерден улам наноламинаттык пленкалар жана суперлаттикалар аркылуу же фонондун күчтүү чачырашынан улам кремний жана германий нано зымдары аркылуу көзөмөлдөнүп турган.
Жогоруда айтылган жылуулук изоляциясынын бир катар ыкмаларына илимпоздор калыңдыгы бир нече атомдон ашпаган эки өлчөмдүү материалдарды ишенимдүү түрдө кошууга даяр, бул аларды атомдук масштабда башкарууну жеңилдетет. Алардын изилдөөсүндө алар колдонгон ван дер Ваальс (vdW) атомдук жука 2D катмарларды чогултуу, алардын гетероструктурасында өтө жогорку жылуулук каршылыгына жетишүү.
Ван дер Ваальс күчтөрү * — энергиясы 10-20 кДж/моль болгон молекулалар аралык/атомдор аралык өз ара аракеттенүү күчтөрү.
Жаңы техника калыңдыгы 2 нм SiO2 (кремний диоксиди) катмарындагы менен салыштырууга мүмкүн болгон 300 нм калыңдыгы VdW гетероструктурасында жылуулук каршылыкты алууга мүмкүндүк берди.
Мындан тышкары, vdW гетероструктураларын колдонуу ар кандай атомдук масса тыгыздыгы жана термелүү режимдери бар гетерогендүү XNUMXD монокатмарларын катмарлоо аркылуу атомдук деңгээлде жылуулук касиеттерин көзөмөлдөөгө мүмкүндүк берди.
Андыктан, келгиле, мышыктын муруттарын тартпай, бул укмуштуудай изилдөөнүн жыйынтыгын карап чыгалы.
Изилдөөнүн натыйжалары
Биринчиден, бул изилдөөдө колдонулган vdW гетероструктураларынын микроструктуралык жана оптикалык мүнөздөмөлөрү менен таанышалы.
Сүрөт №1
Сүрөттө 1a графен (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 жана SiO2/Si субстратынан турган төрт катмарлуу гетерструктуранын кесилиш диаграммасын көрсөтөт. Бардык катмарларды бир эле учурда сканерлөө үчүн колдонуңуз Раман лазер* толкун узундугу 532 нм.
Раман лазер* - жарыкты күчөтүүнүн негизги механизми Раман чачыратуу болгон лазердин түрү.
Раман чачыратуу, өз кезегинде, нурлануунун жыштыгынын олуттуу өзгөрүшү менен коштолгон оптикалык нурлануунун заттын молекулаларына ийкемсиз чачырашы.
Гетероструктуралардын микроструктуралык, жылуулук жана электрдик бир тектүүлүгүн тастыктоо үчүн бир нече ыкмалар колдонулган: сканерлөөчү электрондук микроскопия (STEM), фотолюминесценция спектроскопиясы (PL), Келвин зонд микроскопиясы (KPM), сканерлөөчү термикалык микроскопия (SThM), ошондой эле Раман спектроскопиясы жана термометрия.
сүрөт 1b кызыл чекит менен белгиленген жерде SiO2/Si субстратындагы Gr/MoSe2/MoS22/WSe2 гетерструктурасынын Раман спектрин көрсөтөт. Бул сюжет катмар массивиндеги ар бир моно катмардын кол тамгасын, ошондой эле Si субстраттын кол тамгасын көрсөтөт.
боюнча 1c-1f Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 гетерструктурасынын караңгы талаа STEM сүрөттөрү көрсөтүлгөн (1c) жана Gr/MoS2/WSe22 гетерструктуралары (1d-1f) ар кандай тор багыттары менен. STEM сүрөттөрү атомдук жактан жакын vdW боштуктарын эч кандай булгануусуз көрсөтүп, бул гетероструктуралардын жалпы калыңдыгын толугу менен көрүүгө мүмкүндүк берет. Фотолюминесценция (PL) спектроскопиясынын жардамы менен чоң сканерлөө аймактарында катмарлар аралык байланыштын бар экендиги да тастыкталган.1g). Гетероструктуранын ичиндеги айрым катмарлардын фотолюминесценттик сигналы обочолонгон бир катмардын сигналына салыштырмалуу кыйла басылган. Бул катмарлар аралык тыгыз өз ара аракеттенүүнүн эсебинен катмарлар аралык заряддын өтүү процесси менен түшүндүрүлөт, ал күйгүзгөндөн кийин дагы күчөйт.
Сүрөт №2
Гетероструктуранын атомдук тегиздиктерине перпендикуляр болгон жылуулук агымын өлчөө үчүн катмарлардын массивдери төрт зонддуу электр приборлору түрүндө түзүлдү. Графендин үстүнкү катмары палладий (Pd) электроддору менен байланышат жана Раман термометриясын өлчөө үчүн жылыткыч катары колдонулат.
Бул электрдик жылытуу ыкмасы кирген кубаттуулукту так сандык аныктоону камсыз кылат. Дагы бир мүмкүн болгон жылытуу ыкмасы, оптикалык, айрым катмарлардын жутуу коэффициенттерин билбегендиктен ишке ашыруу кыйыныраак болмок.
боюнча 2a төрт зонд өлчөө схемасын көрсөтөт, жана 2b сыналып жаткан структуранын жогорку көрүнүшүн көрсөтөт. График 2c үч түзмөк үчүн өлчөнгөн жылуулук өткөрүмдүүлүк мүнөздөмөлөрүн көрсөтөт, бири графенди гана камтыган жана экөө Gr/WSe22 жана Gr/MoSe2/WSe22 катмар массивдерин камтыган. Бардык варианттар графендин амбиполярдык жүрүм-турумун көрсөтөт, бул тилкелик боштуктун жоктугу менен байланыштуу.
Ошондой эле ток өткөрүмдүүлүк жана ысытуу үстүңкү катмарда (графенде) болоору аныкталган, анткени анын электр өткөргүчтүгү MoS2 жана WSe22ге караганда бир нече ирет жогору.
Сыналган приборлордун бир тектүүлүгүн көрсөтүү үчүн Kelvin зонд микроскопиясы (KPM) жана сканерлөөчү термикалык микроскопия (SThM) менен өлчөөлөр жүргүзүлгөн. Диаграммада 2d KPM өлчөөлөрү сызыктуу потенциалдын бөлүштүрүлүшүн көрсөтүү менен көрсөтүлөт. SThM анализинин натыйжалары көрсөтүлгөн 2s. Бул жерде биз электрдик жылытылган Gr/MoS2/WSe22 каналдарынын картасын, ошондой эле үстүнкү жылытууда бирдейликтин бар экендигин көрөбүз.
Жогоруда сүрөттөлгөн сканерлөө ыкмалары, атап айтканда, SThM, изилденип жаткан структуранын бир тектүүлүгүн, башкача айтканда, температура боюнча бир тектүүлүгүн ырастады. Кийинки кадам Раман спектроскопиясын (б.а., Раман спектроскопиясын) колдонуу менен түзүүчү катмарлардын ар биринин температурасын сандык эсептөө болгон.
Бардык үч аппараттын ар бири ~ 40 μm2 аянты менен сыналган. Бул учурда жылыткычтын кубаттуулугу 9 мВтка өзгөрдү, ал эми сиңирилген лазердин күчү ~5 мкм0.5 лазердик тактын аянты менен ~2 мкВттан төмөн болду.
Сүрөт №3
Диаграммада 3a Gr/MoS2/WSe22 гетерструктурасында жылыткыч күчү көбөйгөн сайын ар бир катмардын жана субстраттын температурасынын (∆T) жогорулашы көрүнүп турат.
Ар бир материал (катмар) үчүн сызыктуу функциянын эңкейиштери жеке катмар менен жылуулук кабылдагычтын ортосундагы жылуулук каршылыгын (Rth=∆T/P) көрсөтөт. Аянтта жылытуунун бирдей бөлүштүрүлүшүн эске алуу менен, жылуулук каршылыктарын ылдыйдан жогорку катмарга чейин оңой анализдөөгө болот, анын жүрүшүндө алардын маанилери каналдын аянты (WL) менен нормаланат.
L жана W - каналдын узундугу жана туурасы, алар SiO2 субстратынын калыңдыгынан жана каптал жылуулук жылытуу узундугунан кыйла чоңураак, бул ~ 0.1 мкм.
Демек, Si субстраттын жылуулук каршылыгынын формуласын чыгара алабыз, ал төмөнкүдөй болот:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
Бул кырдаалда kSi ≈ 90 Вт m−1 K−1, бул жогорку кошулмаланган субстраттын күтүлгөн жылуулук өткөрүмдүүлүгү.
Rth,WSe2 менен Rth,Si ортосундагы айырма калыңдыгы 2 нм SiO100 жылуулук каршылыгынын жана WSe2/SiO2 интерфейсинин жылуулук чек ара каршылыгынын (TBR) суммасы.
Жогорудагы бардык аспектилерди бириктирип, биз Rth, MoS2 - Rth, WSe2 = TBRMoS2/WSe2 жана Rth, Gr - Rth, MoS2 = TBRGr/MoS2 экендигин аныктай алабыз. Ошондуктан, графиктен 3a WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 жана Gr/MoS2 интерфейстеринин ар бири үчүн TBR маанисин бөлүп алууга болот.
Андан кийин илимпоздор Раман спектроскопиясы жана жылуулук микроскопиясы менен өлчөнгөн бардык гетероструктуралардын жалпы жылуулук каршылыгын салыштырышты3b).
SiO2 боюнча эки катмарлуу жана үч катмарлуу гетероструктуралар бөлмө температурасында 220дан 280 м2 К/ГВт чейинки диапазондо эффективдүү жылуулук туруктуулугун көрсөттү, бул калыңдыгы 2дон 290 нмге чейинки SiO360 жылуулук каршылыгына барабар. Изилденип жаткан гетероструктуралардын калыңдыгы 2 нмден ашпаганына карабастан (1d-1f), алардын жылуулук өткөрүмдүүлүгү бөлмө температурасында 0.007-0.009 Вт m−1 K−1.
Сүрөт №4
Сүрөт №4 бардык төрт структуралардын өлчөөлөрүн жана алардын интерфейстеринин жылуулук чек ара өткөрүмдүүлүгүн (ТБК) көрсөтөт, бул ар бир катмардын мурда өлчөнгөн жылуулук каршылыкка (TBC = 1 / TBR) таасиринин деңгээлин баалоого мүмкүндүк берет.
Окумуштуулар бул өзүнчө моно катмарлардын (2D/2D), өзгөчө WSe2 жана SiO2 моно катмарларынын ортосундагы атомдук жакын интерфейстер үчүн биринчи жолу TBC өлчөөсү экенин белгилешет.
Бир катмарлуу WSe2/SiO2 интерфейсинин TBC деңгээли көп катмарлуу WSe2/SiO2 интерфейсине караганда төмөн, бул таң калыштуу эмес, анткени монокатмарда өткөрүү үчүн ийилүүчү фонон режимдери кыйла азыраак. Жөнөкөй сөз менен айтканда, 2D катмарларынын ортосундагы интерфейстин TBC 2D катмары менен 3D SiO2 субстратынын ортосундагы интерфейстин TBCсынан төмөн (4b).
Изилдөөнүн нюанстары менен кененирээк таанышуу үчүн мен карап көрүүнү сунуштайм и ага.
эпилогунда
Бул изилдөө, илимпоздор өздөрү ырастагандай, бизге атомдук жылуулук интерфейстерин ишке ашырууда колдонула турган билимди берет. Бул иш касиеттери жаратылышта кездешпеген жылуулук өткөрбөй турган метаматериалдарды түзүү мүмкүнчүлүгүн көрсөттү. Мындан тышкары, изилдөө ошондой эле катмарлардын атомдук масштабына карабастан, мындай структуралардын температурасын так өлчөөлөрдү жүргүзүү мүмкүнчүлүгүн ырастады.
Жогоруда сүрөттөлгөн гетероструктуралар, мисалы, электроникадагы ысык чекиттерден жылуулукту алып салууга жөндөмдүү ультра жеңил жана компакттуу термикалык "калкандардын" негизи боло алат. Кошумчалай кетсек, бул технология термоэлектр генераторлордо же жылуулук менен башкарылуучу түзүлүштөрдө колдонулушу мүмкүн, алардын иштешин жогорулатат.
Бул изилдөө планетанын ресурстарынын чектелүүлүгүн жана технологиялык инновациялардын бардык түрлөрүнө суроо-талаптын тынымсыз өсүшүн эске алуу менен, акылсыз идея деп атоого болбой турган “эффективдүүлүк” принцибине заманбап илим олуттуу кызыкдар экенин дагы бир жолу тастыктайт.
Окуганыңыз үчүн рахмат, кызыктуу болуңуз жана жумаңыз жакшы өтсүн! 🙂
Биз менен болгонуңуз үчүн рахмат. Биздин макалалар сизге жагабы? Көбүрөөк кызыктуу мазмунду көргүңүз келеби? Буйрутма берүү же досторуңузга сунуштоо менен бизди колдоңуз, Habr колдонуучулары үчүн биз сиз үчүн ойлоп тапкан баштапкы деңгээлдеги серверлердин уникалдуу аналогуна 30% арзандатуу: (RAID1 жана RAID10 менен жеткиликтүү, 24 өзөккө чейин жана 40 ГБ DDR4 чейин).
Dell R730xd 2 эсе арзанбы? Бул жерде гана Нидерландыда! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 доллардан! Жөнүндө окуу
Source: www.habr.com