Vill Spiller ronderëm d'Welt, déi d'Xbox 360 Ära erlieft hunn, si ganz vertraut mat der Situatioun, wéi hir Konsol an eng Bratpfanne ëmgewandelt gouf, op där se Eeër frittéiere konnten. Eng ähnlech traureg Situatioun geschitt net nëmme mat Spillkonsolen, awer och mat Telefonen, Laptops, Pëllen a vill méi. Prinzipiell kann bal all elektronesch Apparat thermesch Schock erliewen, wat net nëmmen zu sengem Versoen an opgeregt vu sengem Besëtzer féieren kann, awer och zum "schlechten Boom" vun der Batterie a schlëmmer Verletzung. Haut wäerte mir eng Etude kennenzeléieren, an där d'Wëssenschaftler vun der Stanford University, wéi den Nick Fury aus de Comics, e Schëld erstallt hunn, deen Hëtztempfindlech elektronesch Deeler virun Iwwerhëtzung schützt an als Resultat hir Decompte verhënnert. Wéi hunn d'Wëssenschaftler et fäerdeg bruecht en thermescht Schëld ze kreéieren, wat sinn hir Haaptkomponenten a wéi effektiv ass et? Mir léieren iwwer dëst a méi aus dem Bericht vun der Fuerschungsgrupp. Gitt.
Basis vun der Etude
De Problem vun der Iwwerhëtzung ass fir eng ganz laang Zäit bekannt, a Wëssenschaftler léisen et op verschidde Manéieren. E puer vun de populäersten sinn d'Verwäertung vu Glas, Plastik a souguer Loftschichten, déi als eng Art Isoléierer vun der thermescher Stralung déngen. A modernen Realitéite kann dës Method verbessert ginn andeems d'Dicke vun der Schutzschicht op e puer Atomer reduzéiert gëtt ouni seng thermesch Isolatiounseigenschaften ze verléieren. Dat ass genee wat d'Fuerscher gemaach hunn.
Mir schwätzen natierlech vun Nanomaterialien. Wéi och ëmmer, hir Notzung an der thermescher Isolatioun war virdru komplizéiert duerch d'Tatsaach datt d'Wellelängt vu Kältemëttel (fononen*) ass wesentlech méi kuerz wéi déi vun Elektronen oder Photonen.
Phonon* - e Quasipartikel, wat e Quante vun der Schwéngungsbewegung vu Kristallatome ass.
Zousätzlech, wéinst der bosonescher Natur vu Phononen, ass et onméiglech fir se duerch Spannung ze kontrolléieren (wéi et mat Ladungsdréier gemaach gëtt), wat et allgemeng schwéier mécht Wärmetransfer a Feststoffer ze kontrolléieren.
Virdru goufen d'thermesch Eegeschafte vu Feststoffer, wéi d'Fuerscher eis erënneren, duerch Nanolaminatfilmer a Supergitter kontrolléiert wéinst struktureller Stéierungen an héijer Dicht-Interfaces, oder duerch Silizium- a Germanium Nanowires wéinst staarker Phonon-Streuung.
Zu enger Rei vun den uewe beschriwwene thermesch Isolatiounsmethoden sinn d'Wëssenschaftler zouversiichtlech bereet fir zweedimensional Materialien ze attributéieren, d'Dicke vun deenen net méi Atomer iwwerschreift, wat se einfach op atomarer Skala kontrolléiert. An hirer Etude benotzt se van der Waals (vdW) Assemblée vun atomically dënn 2D Schichten ganz héich thermesch Resistenz uechter hir heterostruktur ze erreechen.
Van der Waals Forces* - intermolekulär/interatomesch Interaktiounskräfte mat enger Energie vun 10-20 kJ/mol.
Déi nei Technik huet et méiglech thermesch Resistenz an enger 2 nm décke vdW Heterostruktur ze kréien, vergläichbar mat deem an enger 2 nm décke SiO300 (Siliciumdioxid) Schicht.
Zousätzlech huet d'Benotzung vu vdW Heterostrukturen et méiglech gemaach Kontroll iwwer thermesch Eegeschaften op atomarer Niveau duerch d'Schichten vun heterogenen XNUMXD Monoschichten mat verschiddenen Atommassdichten a Schwéngungsmodi ze kréien.
Also, loosst eis net d'Whiskers vun der Kaz zéien a loosst eis d'Resultater vun dëser erstaunlecher Fuerschung betruechten.
Fuerschungsresultater
Als éischt, loosst eis d'mikrostrukturell an optesch Charakteristike vun de vdW Heterostrukturen kennen léieren, déi an dëser Etude benotzt ginn.
Bild #1
Am Bild 1 weist e Querschnittsdiagramm vun enger véierschichter Heterostruktur aus (vun uewe bis ënnen): Graphen (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 an engem SiO2/Si Substrat. Fir all Schichten gläichzäiteg ze scannen, benotzt Raman Laser* mat enger Wellelängt vu 532 nm.
Raman Laser* - eng Zort Laser an deem den Haaptmechanismus vun der Liichtverstärkung Raman-Streuung ass.
Raman Streuung, am Tour, ass déi onelastesch Streuung vun optescher Stralung op de Molekülle vun enger Substanz, déi duerch eng bedeitend Ännerung vun der Frequenz vun der Stralung begleet gëtt.
Verschidde Methoden goufen benotzt fir d'mikrostrukturell, thermesch an elektresch Homogenitéit vun Heterostrukturen ze bestätegen: Scannentransmissionselektronenmikroskopie (STEM), Photolumineszenzspektroskopie (PL), Kelvin Sondemikroskopie (KPM), Scannen thermesch Mikroskopie (SThM), souwéi Raman Spektroskopie an Thermometrie.
Image Image 1b weist eis de Raman Spektrum vun enger Gr / MoSe2 / MoS2 / WSe22 Heterostruktur op engem SiO2 / Si Substrat op der Plaz mat engem roude Punkt markéiert. Dëse Komplott weist d'Ënnerschrëft vun all Monolayer am Layer-Array, wéi och d'Ënnerschrëft vum Si-Substrat.
op 1c-1f donkelfeld STEM Biller vun der Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 Heterostruktur ginn gewisen (1c) und Gr/MoS2/WSe22 heterostrukturen (1d-1f) mat verschiddene Gitter Orientatiounen. STEM Biller weisen atomesch enk vdW Lücken ouni Kontaminatioun, sou datt d'Gesamtdicke vun dësen Heterostrukturen voll sichtbar ass. D'Präsenz vun Interlayer Kupplung gouf och iwwer grouss Scannenberäicher mat Photolumineszenz (PL) Spektroskopie bestätegt (1g). D'photoluminescent Signal vun eenzelne Schichten bannent der Heterostruktur ass bedeitend ënnerdréckt am Verglach zum Signal vun engem isoléierte Monolayer. Dëst gëtt erkläert duerch de Prozess vum Interlayer Ladungstransfer wéinst enger enker Interlayer Interaktioun, déi nach méi staark gëtt no der Glühung.
Bild #2
Fir den Wärmefluss senkrecht op d'Atomfläche vun der Heterostruktur ze moossen, gouf d'Array vu Schichten a Form vu véier-Sonde elektresch Apparater strukturéiert. Déi iewescht Schicht vu Grafen kontaktéiert Palladium (Pd) Elektroden a gëtt als Heizung fir Raman Thermometriemiessungen benotzt.
Dës elektresch Heizungsmethod bitt präzis Quantifikatioun vun der Inputkraaft. Eng aner méiglech Heizungsmethod, optesch, wier méi schwéier ze realiséieren wéinst der Ignoranz vun den Absorptiounskoeffizienten vun eenzelne Schichten.
op 2 weist e véier-Sonde Mooss Circuit, an 2b weist eng Top Vue vun der Struktur gëtt getest. Zäitplang 2c weist gemooss Hëtzt Transfermaart Charakteristiken fir dräi Apparater, eent mat nëmmen graphene an zwee mat Gr / WSe22 an Gr / MoSe2 / WSe22 Layer arrays. All Varianten weisen ambipolar Verhalen vu Graphen, wat mat der Verontreiung vun engem Bandspalt assoziéiert ass.
Et gouf och fonnt datt d'Stréimleitung an d'Heizung an der ieweschter Schicht (Graphen) optrieden, well seng elektresch Konduktivitéit e puer Uerderen méi héich ass wéi déi vu MoS2 a WSe22.
Fir d'Homogenitéit vun den getesten Apparater ze weisen, goufen Miessunge mat Kelvin Sondemikroskopie (KPM) a Scannerthermesch Mikroskopie (SThM) gemaach. Op der Grafik 2d KPM Miessunge ginn ugewisen déi linear Potenzialverdeelung opzeweisen. D'Resultater vun der SThM Analyse ginn an 2ten. Hei gesi mir eng Kaart vun elektresch erhëtzt Gr / MoS2 / WSe22 Kanäl, wéi och d'Präsenz vun der Uniformitéit an der Uewerflächheizung.
D'Scannen Techniken uewen beschriwwen, besonnesch SThM, confirméiert der Homogenitéit vun der Struktur ënner Studie, dat ass, seng Homogenitéit, am Sënn vun Temperaturen. Den nächste Schrëtt war d'Temperatur vun jiddereng vun de Bestanddeeler Schichten ze quantifizéieren Raman Spektroskopie benotzt (dh Raman Spektroskopie).
All dräi Apparater goufen getest, jidderee mat enger Fläch vun ~40 µm2. An dësem Fall huet d'Heizkraaft ëm 9 mW geännert, an d'absorbéiert Laserkraaft war ënner ~5 μW mat engem Laserfleckfläch vun ~0.5 μm2.
Bild #3
Op der Grafik 3 eng Erhéijung vun der Temperatur (∆T) vun all Schicht a Substrat ass sichtbar wéi d'Heizkraaft an der Gr/MoS2/WSe22 Heterostruktur eropgeet.
D'Hänge vun der linearer Funktioun fir all Material (Schicht) weisen d'thermesch Resistenz (Rth = ∆T/P) tëscht der individueller Schicht an dem Wärmebecher un. Mat der eenheetlecher Verdeelung vun der Heizung iwwer d'Géigend, kënnen thermesch Widderstänn einfach vun ënnen bis op d'Topschicht analyséiert ginn, wärend hir Wäerter duerch d'Kanalgebitt (WL) normaliséiert ginn.
L a W sinn d'Kanallängt an d'Breet, déi wesentlech méi grouss sinn wéi d'Dicke vum SiO2-Substrat an d'lateral thermesch Heizungslängt, déi ~0.1 μm ass.
Dofir kënne mir d'Formel fir d'thermesch Resistenz vum Si-Substrat ofleeden, wat esou ausgesäit:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
An dëser Situatioun kSi ≈ 90 W m−1 K−1, dat ass déi erwaart thermesch Konduktivitéit vun esou engem héich dotéierte Substrat.
Den Ënnerscheed tëscht Rth,WSe2 an Rth,Si ass d'Zomm vun der thermescher Resistenz vun 2 nm décke SiO100 an der thermescher Grenzresistenz (TBR) vun der WSe2/SiO2 Interface.
All déi uewe genannte Aspekter zesummesetzen, kënne mir feststellen datt Rth, MoS2 - Rth, WSe2 = TBRMoS2 / WSe2, an Rth, Gr - Rth, MoS2 = TBRGr / MoS2. Dofir, aus der Grafik 3 et ass méiglech den TBR Wäert fir jiddereng vun den WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 a Gr/MoS2 Interfaces ze extrahieren.
Als nächst hunn d'Wëssenschaftler d'total thermesch Resistenz vun all heterostrukturen verglach, gemooss mat der Raman-Spektroskopie an der thermescher Mikroskopie (3b).
Bilayer an Trilayer Heterostrukturen op SiO2 weisen effektiv thermesch Resistenz am Beräich vun 220 bis 280 m2 K / GW bei Raumtemperatur, wat gläichwäerteg ass mat der thermescher Resistenz vu SiO2 mat enger Dicke vun 290 bis 360 nm. Trotz der Tatsaach, datt d'Dicke vun den Heterostrukturen ënner Studie net méi wéi 2 nm (1d-1f), hir thermesch Konduktivitéit ass 0.007-0.009 W m−1 K−1 bei Raumtemperatur.
Bild #4
Bild 4 weist d'Miessunge vun alle véier Strukturen an d'thermesch Grenzkonduktivitéit (TBC) vun hiren Schnëttplazen, wat eis erlaabt den Aflossgrad vun all Schicht op déi virdru gemoossene thermesch Resistenz (TBC = 1 / TBR) ze evaluéieren.
D'Fuerscher bemierken datt dëst déi éischt TBC Messung ass fir atomesch enk Schnëttplazen tëscht getrennten Monoschichten (2D / 2D), speziell tëscht WSe2 a SiO2 Monoschichten.
Den TBC vun enger Monolayer WSe2/SiO2 Interface ass méi niddereg wéi dee vun enger Multilayer WSe2/SiO2 Interface, wat net iwwerraschend ass well d'Monolayer wesentlech manner béien Phonon Modi fir Iwwerdroung verfügbar ass. Einfach gesot, den TBC vun der Interface tëscht 2D Schichten ass méi niddereg wéi den TBC vun der Interface tëscht der 2D Layer an dem 3D SiO2 Substrat (4b).
Fir e méi detailléierte Verständnis vun den Nuancen vun der Studie, ech recommandéieren e Bléck op и fir hien.
Epilogue
Dës Fuerschung, wéi d'Wëssenschaftler selwer behaapten, gëtt eis Wëssen, déi an der Ëmsetzung vun atomarer thermesche Schnëttplazen applizéiert kënne ginn. Dës Aarbecht huet d'Méiglechkeet gewisen fir Hëtztisoléierend Metamaterialien ze kreéieren, deenen hir Eegeschafte net an der Natur fonnt ginn. Zousätzlech huet d'Etude och d'Méiglechkeet bestätegt, präzis Temperaturmessungen vun esou Strukturen auszeféieren, trotz der atomarer Skala vun de Schichten.
Déi uewe beschriwwe Heterostrukturen kënnen d'Basis fir ultra-liicht a kompakt thermesch "Schëlder" ginn, fäeg, zum Beispill, Hëtzt aus Hotspots an der Elektronik ze entfernen. Zousätzlech kann dës Technologie an thermoelektresche Generatoren oder thermesch kontrolléiert Geräter benotzt ginn, wat hir Leeschtung erhéijen.
Dës Etude bestätegt nach eng Kéier, datt d'modern Wëssenschaft eescht interesséiert ass am Prinzip vun "Effizienz an engem thimble", déi net eng domm Iddi genannt ginn, well d'limitéiert Ressourcen vum Planéit an der kontinuéierlech Wuesstem an Nofro fir all Zorte vun technologesch Innovatiounen.
Merci fir d'Liesen, bleift virwëtzeg an hunn eng super Woch Kärelen! 🙂
Merci datt Dir bei eis bleift. Hutt Dir eis Artikelen gär? Wëllt Dir méi interessant Inhalt gesinn? Ënnerstëtzt eis andeems Dir eng Bestellung maacht oder Frënn empfeelt, 30% Remise fir Habr Benotzer op engem eenzegaartegen Analog vun Entry-Level Serveren, dee vun eis fir Iech erfonnt gouf: (verfügbar mat RAID1 an RAID10, bis zu 24 Kären a bis zu 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 Mol méi bëlleg? Nëmmen hei an Holland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - vun $99! Liest iwwer
Source: will.com