Зошто грејна рампа ако имате лаптоп: студија за термички отпор на атомско ниво

Многу гејмери ​​ширум светот кои ја доживеаја ерата на Xbox 360 се многу запознаени со ситуацијата кога нивната конзола се претвори во тава на која можеа да пржат јајца. Слична тажна ситуација се случува не само со конзолите за игри, туку и со телефоните, лаптопите, таблетите и многу повеќе. Во принцип, речиси секој електронски уред може да доживее термички шок, што може да доведе не само до негово откажување и вознемиреност на сопственикот, туку и до „лош бум“ на батеријата и сериозна повреда. Денеска ќе се запознаеме со студија во која научниците од Универзитетот Стенфорд, како Ник Фјури од стриповите, создадоа штит кој ги штити електронските делови чувствителни на топлина од прегревање и, како резултат на тоа, го спречува нивното распаѓање. Како научниците успеале да создадат термички штит, кои се неговите главни компоненти и колку е ефикасен? За ова и повеќе дознаваме од извештајот на истражувачката група. Оди.

Истражувачка основа

Проблемот со прегревање е познат многу долго време, а научниците го решаваат на различни начини. Некои од најпопуларните се употребата на стакло, пластика, па дури и слоеви на воздух, кои служат како еден вид изолатори на топлинското зрачење. Во современите реалности, овој метод може да се подобри со намалување на дебелината на заштитниот слој на неколку атоми без губење на својствата на топлинска изолација. Токму тоа го направија истражувачите.

Се разбира, зборуваме за наноматеријали. Сепак, нивната употреба во топлинска изолација претходно беше комплицирана од фактот дека брановата должина на течностите за ладење (фонони*) е значително пократок од оној на електроните или фотоните.

Фонон* - квазичестичка, која е квант на вибрационото движење на кристалните атоми.

Покрај тоа, поради бозонската природа на фононите, невозможно е да се контролираат со напон (како што се прави со носителите на полнеж), што генерално го отежнува контролирањето на преносот на топлина во цврсти материи.

Претходно, термичките својства на цврстите материи, како што потсетуваат истражувачите, беа контролирани преку наноламинатни филмови и суперрешетки поради структурно нарушување и интерфејси со висока густина, или преку силиконски и германиумски наножици поради силно расејување на фонон.

На голем број од методите за топлинска изолација опишани погоре, научниците се самоуверено подготвени да припишат дводимензионални материјали, чија дебелина не надминува неколку атоми, што го прави лесен за контрола на атомска скала. Во нивната студија користеле ван дер Валс (vdW) склопување на атомски тенки 2D слоеви за да се постигне многу висока термичка отпорност низ нивната хетероструктура.

Силите на Ван Дер Валс* — меѓумолекуларни/меѓуатомски сили на интеракција со енергија од 10-20 kJ/mol.

Новата техника овозможи да се добие термички отпор во хетероструктура vdW со дебелина од 2 nm, споредлива со онаа во слој SiO2 (силициум диоксид) со дебелина од 300 nm.

Дополнително, употребата на хетероструктурите на vdW овозможи да се стекне контрола над топлинските својства на атомско ниво преку наслојување на хетерогени XNUMXD еднослоеви со различна густина на атомска маса и режими на вибрации.

Значи, да не ги влечеме мустаќите на мачката и да почнеме да ги разгледуваме резултатите од ова неверојатно истражување.

Резултати од истражувањето

Најпрво, да се запознаеме со микроструктурните и оптичките карактеристики на хетероструктурите на vdW кои се користат во оваа студија.

Слика бр. 1

На сликата 1 покажува дијаграм на пресек на четирислојна хетероструктура која се состои од (од врвот до дното): графен (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 и подлога SiO2/Si. За да ги скенирате сите слоеви истовремено, користете Раман ласер* со бранова должина од 532 nm.

Раман ласер* - тип на ласер во кој главниот механизам на засилување на светлината е Раманското расејување.

Раман расејување, пак, е нееластично расејување на оптичкото зрачење на молекулите на супстанцијата, што е придружено со значителна промена во фреквенцијата на зрачењето.

Беа користени неколку методи за да се потврди микроструктурната, топлинската и електричната хомогеност на хетероструктурите: скенирана преносна електронска микроскопија (STEM), спектроскопија на фотолуминисценција (PL), микроскопија со Келвинова сонда (KPM), скенирачка термичка микроскопија (SThM), како и Раман спектроскопија и термометрија .

Изображение 1b ни го покажува Раманскиот спектар на хетероструктура Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 на подлога SiO2/Si на локацијата означена со црвена точка. Овој график го прикажува потписот на секој еднослоен во низата на слоеви, како и потписот на подлогата Si.

На 1c-1f Прикажани се STEM слики од темно поле на хетероструктурата Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 (1-ти) и хетероструктури Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) со различни ориентации на решетка. Сликите на STEM покажуваат атомски блиски празнини vdW без никаква контаминација, што овозможува целосната дебелина на овие хетероструктури да биде целосно видлива. Присуството на меѓуслојна спојка беше потврдено и на големи области за скенирање со помош на спектроскопија на фотолуминисценција (PL) (1g). Фотолуминисцентниот сигнал на поединечните слоеви внатре во хетероструктурата е значително потиснат во споредба со сигналот на изолиран еднослоен. Ова се објаснува со процесот на меѓуслојно пренос на полнеж поради блиската меѓуслојна интеракција, која станува уште посилна по жарењето.

Слика бр. 2

Со цел да се измери протокот на топлина нормално на атомските рамнини на хетероструктурата, низата слоеви беше структурирана во форма на електрични уреди со четири сонди. Горниот слој на графен контактира со електродите на паладиум (Pd) и се користи како грејач за мерења со Раман термометрија.

Овој метод на електрично загревање обезбедува прецизна квантификација на влезната моќност. Друг можен метод на загревање, оптичкиот, би бил потежок за имплементација поради непознавање на коефициентите на апсорпција на поединечните слоеви.

На 2 покажува мерно коло со четири сонди и 2b покажува горниот приказ на структурата што се тестира. Распоред 2-ти покажува измерени карактеристики за пренос на топлина за три уреди, од кои еден содржи само графен, а два што содржат низи на слоеви Gr/WSe22 и Gr/MoSe2/WSe22. Сите варијанти демонстрираат амбиполарно однесување на графенот, што е поврзано со отсуството на јаз во појасот.

Исто така, беше откриено дека спроводливоста и загревањето на струјата се случуваат во горниот слој (графен), бидејќи неговата електрична спроводливост е неколку реда на големина поголема од онаа на MoS2 и WSe22.

За да се демонстрира хомогеноста на тестираните уреди, беа направени мерења со помош на микроскопија со Келвин сонда (KPM) и скенирачка термална микроскопија (SThM). На табелата 2d Мерењата на KPM се прикажани откривајќи ја линеарната дистрибуција на потенцијалот. Резултатите од SThM анализата се прикажани во 2. Овде гледаме карта на електрично загреани канали Gr/MoS2/WSe22, како и присуство на униформност при загревањето на површината.

Техниките на скенирање опишани погоре, особено SThM, ја потврдија хомогеноста на структурата што се проучува, односно нејзината хомогеност, во однос на температурите. Следниот чекор беше да се измери температурата на секој од составните слоеви користејќи Раман спектроскопија (т.е. Раман спектроскопија).

Сите три уреди беа тестирани, секој со површина од ~ 40 µm2. Во овој случај, моќноста на грејачот се промени за 9 mW, а апсорбираната ласерска моќ беше под ~ 5 μW со површина на ласерска точка од ~ 0.5 μm2.

Слика бр. 3

На табелата 3 зголемување на температурата (∆T) на секој слој и подлога е видливо како што се зголемува моќноста на грејачот во хетероструктурата Gr/MoS2/WSe22.

Наклоните на линеарната функција за секој материјал (слој) го означуваат термичкиот отпор (Rth=∆T/P) помеѓу поединечниот слој и ладилникот. Со оглед на униформната дистрибуција на греењето на површината, термичките отпори може лесно да се анализираат од долниот до горниот слој, при што нивните вредности се нормализираат со површината на каналот (WL).

L и W се должината и ширината на каналот, кои се значително поголеми од дебелината на подлогата на SiO2 и должината на страничното термичко загревање, што е ~0.1 μm.

Затоа, можеме да ја изведеме формулата за термичка отпорност на подлогата Si, која ќе изгледа вака:

Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)

Во оваа ситуација kSi ≈ 90 W m−1 K−1, што е очекуваната топлинска спроводливост на таква високо допирана подлога.

Разликата помеѓу Rth, WSe2 и Rth,Si е збирот на термичкиот отпор од 2 nm дебел SiO100 и термичкиот граничен отпор (TBR) на интерфејсот WSe2/SiO2.

Соединувајќи ги сите горенаведени аспекти заедно, можеме да утврдиме дека Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2 и Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Затоа, од графиконот 3 можно е да се извлече вредноста на TBR за секој од интерфејсите WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 и Gr/MoS2.

Потоа, научниците го споредија вкупниот термички отпор на сите хетероструктури, измерени со помош на Раман спектроскопија и термичка микроскопија (3b).

Двослојните и трислојните хетероструктури на SiO2 покажаа ефективен термички отпор во опсег од 220 до 280 m2 K/GW на собна температура, што е еквивалентно на термичкиот отпор на SiO2 со дебелина од 290 до 360 nm. И покрај фактот дека дебелината на испитуваните хетероструктури не надминува 2 nm (1d-1f), нивната топлинска спроводливост е 0.007-0.009 W m−1 K−1 на собна температура.

Слика бр. 4

Сликата 4 ги прикажува мерењата на сите четири структури и топлинската гранична спроводливост (TBC) на нивните интерфејси, што ни овозможува да го оцениме степенот на влијание на секој слој врз претходно измерениот топлински отпор (TBC = 1 / TBR).

Истражувачите забележуваат дека ова е прво мерење на TBC за атомски блиски интерфејси помеѓу одделни еднослојни (2D/2D), конкретно помеѓу монослоеви WSe2 и SiO2.

TBC на еднослоен интерфејс WSe2/SiO2 е помал од оној на повеќеслоен интерфејс WSe2/SiO2, што не е изненадувачки бидејќи монослојот има значително помалку режими на свиткување фонон достапни за пренос. Едноставно кажано, TBC на интерфејсот помеѓу 2D слоеви е помал од TBC на интерфејсот помеѓу 2D слојот и 3D SiO2 супстратот (4b).

За подетално запознавање со нијансите на студијата, препорачувам да погледнете известуваат научниците и Дополнителни материјали до него.

Епилог

Ова истражување, како што тврдат самите научници, ни дава знаење кое може да се примени при имплементација на атомски термални интерфејси. Оваа работа ја покажа можноста за создавање на топлинско-изолациски метаматеријали чии својства не се наоѓаат во природата. Покрај тоа, студијата исто така ја потврди можноста за извршување на прецизни мерења на температурата на таквите структури, и покрај атомската скала на слоевите.

Хетероструктурите опишани погоре можат да станат основа за ултра лесни и компактни термички „штитови“, способни, на пример, да ја отстранат топлината од жариштата во електрониката. Покрај тоа, оваа технологија може да се користи во термоелектрични генератори или термички контролирани уреди, зголемувајќи ги нивните перформанси.

Оваа студија уште еднаш потврдува дека модерната наука е сериозно заинтересирана за принципот на „ефикасност во напрсток“, што не може да се нарече глупава идеја, со оглед на ограничените ресурси на планетата и континуираниот раст на побарувачката за сите видови технолошки иновации.

Ви благодариме за вниманието, останете љубопитни и имајте одлична недела на сите! 🙂

Ви благодариме што останавте со нас. Дали ви се допаѓаат нашите написи? Сакате да видите поинтересна содржина? Поддржете не со нарачка или препорака на пријатели, 30% попуст за корисниците на Habr на уникатен аналог на сервери на почетно ниво, кој го измисливме ние за вас: Целата вистина за VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 јадра) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps од 20 долари или како да споделите сервер? (достапен со RAID1 и RAID10, до 24 јадра и до 40 GB DDR4).

Dell R730xd 2 пати поевтин? Само овде 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 телевизор од 199 долари во Холандија! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - од 99 долари! Прочитајте за Како да се изгради инфраструктурна корп. класа со употреба на сервери Dell R730xd E5-2650 v4 вредни 9000 евра за денар?

Извор: www.habr.com