ProHoster > Blogs > interneta ziņas > Kāpēc apkures paliktnis, ja jums ir klēpjdators: termiskās pretestības pētījums atomu līmenī

Kāpēc apkures paliktnis, ja jums ir klēpjdators: termiskās pretestības pētījums atomu līmenī

Kāpēc apkures paliktnis, ja jums ir klēpjdators: termiskās pretestības pētījums atomu līmenī

Daudzi spēlētāji visā pasaulē, kuri piedzÄ«voja Xbox 360 ēru, ļoti labi pārzina situāciju, kad viņu konsole pārvērtās par pannu, uz kuras viņi varēja cept olas. LÄ«dzÄ«ga bēdÄ«ga situācija ir ne tikai ar spēļu konsolēm, bet arÄ« ar tālruņiem, klēpjdatoriem, planÅ”etdatoriem un daudz ko citu. Principā gandrÄ«z jebkura elektroniskā ierÄ«ce var piedzÄ«vot termisko triecienu, kas var izraisÄ«t ne tikai tās kļūmi un Ä«paÅ”nieka satraukumu, bet arÄ« akumulatora ā€œslikto uzplaukumuā€ un nopietnus savainojumus. Å odien iepazÄ«simies ar pētÄ«jumu, kurā Stenfordas universitātes zinātnieki, lÄ«dzÄ«gi kā Niks FjÅ«rijs no komiksiem, radÄ«juÅ”i vairogu, kas pasargā siltumjutÄ«gās elektroniskās daļas no pārkarÅ”anas un rezultātā novērÅ” to sabrukÅ”anu. Kā zinātniekiem izdevās izveidot termovairogu, kādas ir tā galvenās sastāvdaļas un cik tas ir efektÄ«vs? Par to un daudz ko citu mēs uzzinām no pētnieku grupas ziņojuma. Aiziet.

Pētījuma bāze

PārkarÅ”anas problēma ir zināma ļoti ilgu laiku, un zinātnieki to risina dažādos veidos. Daži no populārākajiem ir stikla, plastmasas un pat gaisa slāņu izmantoÅ”ana, kas kalpo kā sava veida siltuma starojuma izolatori. MÅ«sdienu realitātē Å”o metodi var uzlabot, samazinot aizsargslāņa biezumu lÄ«dz vairākiem atomiem, nezaudējot siltumizolācijas Ä«paŔības. TieÅ”i to arÄ« darÄ«ja pētnieki.

Mēs, protams, runājam par nanomateriāliem. Taču to izmantoÅ”anu siltumizolācijā iepriekÅ” sarežģīja fakts, ka dzesÄ“Å”anas Ŕķidrumu viļņa garums (fononi*) ir ievērojami Ä«sāks nekā elektroniem vai fotoniem.

Phonon* - kvazidaļiņa, kas ir kristāla atomu vibrācijas kustības kvants.

Turklāt fononu bozoniskā rakstura dēļ tos nav iespējams kontrolēt ar spriegumu (kā tas tiek darīts ar lādiņnesējiem), kas parasti apgrūtina siltuma pārneses kontroli cietās vielās.

IepriekÅ” cietvielu termiskās Ä«paŔības, kā mums atgādina pētnieki, tika kontrolētas ar nanolamināta plēvēm un superrežģiem strukturālu traucējumu un augsta blÄ«vuma saskarņu dēļ vai ar silÄ«cija un germānija nanovadiem spēcÄ«gas fononu izkliedes dēļ.

Vairākām iepriekÅ” aprakstÄ«tajām siltumizolācijas metodēm zinātnieki ir droÅ”i gatavi piedēvēt divdimensiju materiālus, kuru biezums nepārsniedz vairākus atomus, kas padara tos viegli vadāmus atomu mērogā. Savā pētÄ«jumā viņi izmantoja van der Vāls (vdW) atomiski plānu 2D slāņu montāža, lai sasniegtu ļoti augstu termisko pretestÄ«bu visā to heterostruktÅ«rā.

Van der Vālsa spēki* ā€” starpmolekulārie/starpatomu mijiedarbÄ«bas spēki ar enerÄ£iju 10-20 kJ/mol.

Jaunā tehnika ļāva iegūt termisko pretestību 2 nm biezā vdW heterostruktūrā, kas ir salīdzināma ar 2 nm biezu SiO300 (silīcija dioksīda) slāni.

Turklāt vdW heterostruktÅ«ru izmantoÅ”ana ir ļāvusi iegÅ«t kontroli pār termiskajām Ä«paŔībām atomu lÄ«menÄ«, slāņojot neviendabÄ«gus XNUMXD monoslāņus ar dažādu atomu masas blÄ«vumu un vibrācijas režīmiem.

Tātad, nevilksim kaÄ·im Å«sas un sāksim apsvērt Ŕī pārsteidzoŔā pētÄ«juma rezultātus.

Pētījuma rezultāti

Vispirms iepazÄ«simies ar Å”ajā pētÄ«jumā izmantoto vdW heterostruktÅ«ru mikrostrukturālajām un optiskajām Ä«paŔībām.

Kāpēc apkures paliktnis, ja jums ir klēpjdators: termiskās pretestības pētījums atomu līmenī
1. attēls

Uz attēla 1Š° parāda četru slāņu heterostruktÅ«ras Ŕķērsgriezuma diagrammu, kas sastāv no (no augÅ”as uz leju): grafēns (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 un SiO2 / Si substrāta. Lai vienlaikus skenētu visus slāņus, izmantojiet Ramana lāzers* ar viļņa garumu 532 nm.

Ramana lāzers* - lāzera veids, kurā galvenais gaismas pastiprināŔanas mehānisms ir Ramana izkliede.

Ramana izkliede, savukārt, ir neelastīga optiskā starojuma izkliede uz vielas molekulām, ko pavada būtiskas starojuma frekvences izmaiņas.

Lai apstiprinātu heterostruktÅ«ru mikrostrukturālo, termisko un elektrisko viendabÄ«gumu, tika izmantotas vairākas metodes: skenējoŔā transmisijas elektronu mikroskopija (STEM), fotoluminiscences spektroskopija (PL), Kelvina zondes mikroskopija (KPM), skenējoŔā termiskā mikroskopija (SThM), kā arÄ« Ramana spektroskopija un termometrija.

Š˜Š·Š¾Š±Ń€Š°Š¶ŠµŠ½ŠøŠµ 1b parāda mums Gr / MoSe2 / MoS2 / WSe22 heterostruktÅ«ras Ramana spektru uz SiO2 / Si substrāta vietā, kas atzÄ«mēta ar sarkanu punktu. Å is grafiks parāda katra viena slāņa parakstu slāņu masÄ«vā, kā arÄ« Si substrāta parakstu.

uz 1cSākot no1f Tiek parādÄ«ti Gr / MoSe2 / MoS2 / WSe22 heterostruktÅ«ras tumŔā lauka STEM attēli (1s) un Gr/MoS2/WSe22 heterostruktÅ«ras (1dSākot no1f) ar dažādām režģa orientācijām. STEM attēli parāda atomiski tuvu vdW spraugas bez jebkāda piesārņojuma, ļaujot pilnÄ«bā redzēt Å”o heterostruktÅ«ru kopējo biezumu. Starpslāņu savienojuma klātbÅ«tne tika apstiprināta arÄ« lielos skenÄ“Å”anas laukumos, izmantojot fotoluminiscences (PL) spektroskopiju (1g). AtseviŔķu slāņu fotoluminiscējoÅ”ais signāls heterostruktÅ«ras iekÅ”pusē ir ievērojami nomākts, salÄ«dzinot ar izolēta monoslāņa signālu. Tas izskaidrojams ar starpslāņu lādiņu pārneses procesu cieÅ”as starpslāņu mijiedarbÄ«bas dēļ, kas pēc atkausÄ“Å”anas kļūst vēl spēcÄ«gāks.

Kāpēc apkures paliktnis, ja jums ir klēpjdators: termiskās pretestības pētījums atomu līmenī
2. attēls

Lai izmērÄ«tu siltuma plÅ«smu perpendikulāri heterostruktÅ«ras atomu plaknēm, slāņu masÄ«vs tika strukturēts četru zondes elektrisko ierīču veidā. Grafēna augŔējais slānis saskaras ar pallādija (Pd) elektrodiem un tiek izmantots kā sildÄ«tājs Ramana termometrijas mērÄ«jumiem.

Å Ä« elektriskā sildÄ«Å”anas metode nodroÅ”ina precÄ«zu ievades jaudas kvantitatÄ«vu noteikÅ”anu. Cita iespējamā sildÄ«Å”anas metode, optiskā, bÅ«tu grÅ«tāk Ä«stenojama atseviŔķu slāņu absorbcijas koeficientu nezināŔanas dēļ.

uz 2Š° parāda četru zondu mērÄ«Å”anas ķēdi, un 2b parāda pārbaudāmās struktÅ«ras augŔējo skatu. Grafiks 2s parāda izmērÄ«tos siltuma pārneses raksturlielumus trim ierÄ«cēm, no kurām viena satur tikai grafēnu un divas satur Gr / WSe22 un Gr / MoSe2 / WSe22 slāņu blokus. Visi varianti demonstrē grafēna ambipolāru uzvedÄ«bu, kas ir saistÄ«ta ar joslas spraugas neesamÄ«bu.

Tika arÄ« konstatēts, ka strāvas vadÄ«Å”ana un sildÄ«Å”ana notiek augŔējā slānÄ« (grafēnā), jo tā elektriskā vadÄ«tspēja ir par vairākām kārtām augstāka nekā MoS2 un WSe22.

Lai pierādÄ«tu pārbaudÄ«to ierīču viendabÄ«gumu, mērÄ«jumi tika veikti, izmantojot Kelvina zondes mikroskopiju (KPM) un skenējoÅ”o termisko mikroskopiju (SThM). Uz diagrammas 2d Tiek parādÄ«ti KPM mērÄ«jumi, kas atklāj lineāro potenciālu sadalÄ«jumu. SThM analÄ«zes rezultāti ir parādÄ«ti 2e. Å eit mēs redzam elektriski apsildāmu Gr / MoS2 / WSe22 kanālu karti, kā arÄ« virsmas sildÄ«Å”anas vienmērÄ«gumu.

IepriekÅ” aprakstÄ«tās skenÄ“Å”anas metodes, jo Ä«paÅ”i SThM, apstiprināja pētāmās struktÅ«ras viendabÄ«gumu, tas ir, tās viendabÄ«gumu temperatÅ«ras izteiksmē. Nākamais solis bija kvantitatÄ«vi noteikt katra slāņa temperatÅ«ru, izmantojot Ramana spektroskopiju (t.i., Ramana spektroskopiju).

Tika pārbaudÄ«tas visas trÄ«s ierÄ«ces, katra ar laukumu ~ 40 Āµm2. Å ajā gadÄ«jumā sildÄ«tāja jauda mainÄ«jās par 9 mW, un absorbētā lāzera jauda bija zem ~ 5 Ī¼W ar lāzera vietas laukumu ~ 0.5 Ī¼m2.

Kāpēc apkures paliktnis, ja jums ir klēpjdators: termiskās pretestības pētījums atomu līmenī
3. attēls

Uz diagrammas 3Š° katra slāņa un substrāta temperatÅ«ras paaugstināŔanās (āˆ†T) ir redzama, palielinoties sildÄ«tāja jaudai Gr/MoS2/WSe22 heterostruktÅ«rā.

Lineārās funkcijas slÄ«pumi katram materiālam (slānim) norāda siltuma pretestÄ«bu (Rth=āˆ†T/P) starp atseviŔķo slāni un siltuma izlietni. Ņemot vērā vienmērÄ«go apkures sadalÄ«jumu pa apgabalu, termiskās pretestÄ«bas var viegli analizēt no apakÅ”as lÄ«dz augŔējam slānim, kura laikā to vērtÄ«bas tiek normalizētas ar kanāla laukumu (WL).

L un W ir kanāla garums un platums, kas ir ievērojami lielāki par SiO substrāta biezumu un sānu termiskās sildÄ«Å”anas garumu, kas ir ~ 2, 0.1 Ī¼m.

Tāpēc mēs varam iegÅ«t Si substrāta termiskās pretestÄ«bas formulu, kas izskatÄ«sies Ŕādi:

Rth,Si ā‰ˆ (WL)1/2 / (2kSi)

Å ajā situācijā kSi ā‰ˆ 90 W m-1 K-1, kas ir Ŕāda ļoti leģēta substrāta paredzamā siltumvadÄ«tspēja.

AtŔķirība starp Rth,WSe2 un Rth,Si ir 2 nm bieza SiO100 termiskās pretestības un WSe2/SiO2 saskarnes termiskās robežpretestības (TBR) summa.

Apvienojot visus iepriekÅ” minētos aspektus, mēs varam noteikt, ka Rth,MoS2 āˆ’ Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2 un Rth,Gr āˆ’ Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Tāpēc no grafika 3Š° ir iespējams iegÅ«t TBR vērtÄ«bu katrai no WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 un Gr/MoS2 saskarnēm.

Pēc tam zinātnieki salīdzināja visu heterostruktūru kopējo termisko pretestību, ko mēra, izmantojot Ramana spektroskopiju un termisko mikroskopiju (3b).

Divslāņu un trÄ«sslāņu heterostruktÅ«rām uz SiO2 bija efektÄ«va termiskā pretestÄ«ba diapazonā no 220 lÄ«dz 280 m2 K/GW istabas temperatÅ«rā, kas ir lÄ«dzvērtÄ«ga SiO2 termiskajai pretestÄ«bai ar biezumu no 290 lÄ«dz 360 nm. Neskatoties uz to, ka pētāmo heterostruktÅ«ru biezums nepārsniedz 2 nm (1dSākot no1f), to siltumvadÄ«tspēja ir 0.007-0.009 W māˆ’1 Kāˆ’1 istabas temperatÅ«rā.

Kāpēc apkures paliktnis, ja jums ir klēpjdators: termiskās pretestības pētījums atomu līmenī
4. attēls

4. attēlā redzami visu četru konstrukciju mērÄ«jumi un to saskarņu siltuma robežvadÄ«tspēja (TBC), kas ļauj novērtēt katra slāņa ietekmes pakāpi uz iepriekÅ” izmērÄ«to termisko pretestÄ«bu (TBC = 1 / TBR).

Pētnieki atzÄ«mē, ka Å”is ir pirmais TBC mērÄ«jums atomiski tuvām saskarnēm starp atseviŔķiem monoslāņiem (2D/2D), Ä«paÅ”i starp WSe2 un SiO2 monoslāņiem.

Viena slāņa WSe2/SiO2 saskarnes TBC ir zemāka nekā daudzslāņu WSe2/SiO2 interfeisa TBC, kas nav pārsteidzoÅ”i, jo vienslāņa pārraidei ir pieejams ievērojami mazāk lieces fonona režīmu. VienkārÅ”i sakot, saskarnes TBC starp 2D slāņiem ir zemāka nekā saskarnes TBC starp 2D slāni un 3D SiO2 substrātu (4b).

Detalizētākai iepazÄ«Å”anai ar pētÄ«juma niansēm iesaku aplÅ«kot ziņo zinātnieki Šø Papildu materiāli viņam.

Epilogs

Å is pētÄ«jums, kā apgalvo paÅ”i zinātnieki, sniedz mums zināŔanas, kuras var pielietot atomu termisko saskarņu ievieÅ”anā. Å is darbs parādÄ«ja iespēju izveidot siltumizolējoÅ”us metamateriālus, kuru Ä«paŔības dabā nav atrodamas. Turklāt pētÄ«jums arÄ« apstiprināja iespēju veikt precÄ«zus Ŕādu konstrukciju temperatÅ«ras mērÄ«jumus, neskatoties uz slāņu atomu mērogu.

IepriekÅ” aprakstÄ«tās heterostruktÅ«ras var kļūt par pamatu Ä«paÅ”i viegliem un kompaktiem termiskiem "vairogiem", kas spēj, piemēram, noņemt siltumu no elektronikas karstajiem punktiem. Turklāt Å”o tehnoloÄ£iju var izmantot termoelektriskos Ä£eneratoros vai termiski vadāmās ierÄ«cēs, palielinot to veiktspēju.

Å is pētÄ«jums vēlreiz apstiprina, ka mÅ«sdienu zinātni nopietni interesē princips ā€œefektivitāte uzpirkstenÄ«ā€, ko nevar saukt par muļķīgu ideju, ņemot vērā planētas ierobežotos resursus un nepārtraukto pieprasÄ«juma pieaugumu pēc visa veida tehnoloÄ£iskām inovācijām.

Paldies, ka lasÄ«jāt, esiet zinātkārs un lai jums lieliska nedēļa, puiÅ”i! šŸ™‚

Paldies, ka palikāt kopā ar mums. Vai jums patīk mūsu raksti? Vai vēlaties redzēt interesantāku saturu? Atbalsti mūs, pasūtot vai iesakot draugiem, 30% atlaide Habr lietotājiem unikālam sākuma līmeņa serveru analogam, ko mēs jums izgudrojām: Visa patiesība par VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 kodoli) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps no 20$ vai kā koplietot serveri? (pieejams ar RAID1 un RAID10, līdz 24 kodoliem un līdz 40 GB DDR4).

Dell R730xd 2 reizes lētāk? Tikai Å”eit 2x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV no 199$ NÄ«derlandē! Dell R420 ā€” 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB ā€” no 99 USD! LasÄ«t par Kā izveidot infrastruktÅ«ras uzņēmumu klase ar Dell R730xd E5-2650 v4 serveru izmantoÅ”anu 9000 eiro par santÄ«mu?

Avots: www.habr.com

Pievieno komentāru