जर तुमच्याकडे लॅपटॉप असेल तर हीटिंग पॅड का: अणु स्तरावरील थर्मल रेझिस्टन्सचा अभ्यास

जगभरातील अनेक गेमर ज्यांनी Xbox 360 युगाचा अनुभव घेतला आहे ते त्या परिस्थितीशी खूप परिचित आहेत जेव्हा त्यांचे कन्सोल फ्राईंग पॅनमध्ये बदलले ज्यावर ते अंडी तळू शकतात. अशीच दुःखद परिस्थिती केवळ गेम कन्सोलवरच नाही तर फोन, लॅपटॉप, टॅब्लेट आणि बरेच काही आहे. तत्वतः, जवळजवळ कोणत्याही इलेक्ट्रॉनिक डिव्हाइसला थर्मल शॉक येऊ शकतो, ज्यामुळे केवळ त्याचे अपयश आणि त्याच्या मालकाला त्रास होऊ शकतो, परंतु बॅटरीची "खराब बूम" आणि गंभीर दुखापत देखील होऊ शकते. आज आपण एका अभ्यासाशी परिचित होऊ ज्यात स्टॅनफोर्ड युनिव्हर्सिटीच्या शास्त्रज्ञांनी, कॉमिक्समधील निक फ्युरी सारख्या, एक ढाल तयार केली आहे जी उष्णता-संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक भागांना जास्त गरम होण्यापासून वाचवते आणि परिणामी, त्यांचे बिघाड टाळते. शास्त्रज्ञांनी थर्मल शील्ड कसे तयार केले, त्याचे मुख्य घटक काय आहेत आणि ते किती प्रभावी आहे? आम्ही संशोधन गटाच्या अहवालातून याबद्दल आणि बरेच काही शिकतो. जा.

संशोधनाचा आधार

ओव्हरहाटिंगची समस्या बर्याच काळापासून ज्ञात आहे आणि शास्त्रज्ञ विविध मार्गांनी त्याचे निराकरण करतात. काही सर्वात लोकप्रिय म्हणजे काच, प्लास्टिक आणि हवेच्या थरांचा वापर, जे थर्मल रेडिएशनचे एक प्रकारचे इन्सुलेटर म्हणून काम करतात. आधुनिक वास्तवांमध्ये, थर्मल इन्सुलेशन गुणधर्म न गमावता संरक्षणात्मक थराची जाडी अनेक अणूंमध्ये कमी करून ही पद्धत सुधारली जाऊ शकते. संशोधकांनी नेमके तेच केले.

आम्ही अर्थातच नॅनोमटेरियल्सबद्दल बोलत आहोत. तथापि, थर्मल इन्सुलेशनमध्ये त्यांचा वापर पूर्वी या वस्तुस्थितीमुळे गुंतागुंतीचा होता की शीतलकांची तरंगलांबी (फोनन्स*) इलेक्ट्रॉन किंवा फोटॉनपेक्षा लक्षणीय लहान आहे.

फोनोन* - एक क्वासीपार्टिकल, जे क्रिस्टल अणूंच्या कंपन गतीचे एक परिमाण आहे.

याव्यतिरिक्त, फोनॉन्सच्या बोसोनिक स्वरूपामुळे, त्यांना व्होल्टेजद्वारे नियंत्रित करणे अशक्य आहे (जसे चार्ज वाहकांवर केले जाते), ज्यामुळे सामान्यत: घन पदार्थांमध्ये उष्णता हस्तांतरण नियंत्रित करणे कठीण होते.

पूर्वी, घन पदार्थांचे थर्मल गुणधर्म, जसे संशोधक आम्हाला आठवण करून देतात, संरचनात्मक विकार आणि उच्च घनता इंटरफेसमुळे किंवा मजबूत फोनॉन विखुरल्यामुळे सिलिकॉन आणि जर्मेनियम नॅनोवायरद्वारे नॅनोलामिनेट फिल्म्स आणि सुपरलॅटिसेसद्वारे नियंत्रित केले जात होते.

वर वर्णन केलेल्या अनेक थर्मल इन्सुलेशन पद्धतींसाठी, शास्त्रज्ञ द्वि-आयामी सामग्रीचे श्रेय देण्यास आत्मविश्वासाने तयार आहेत, ज्याची जाडी अनेक अणूंपेक्षा जास्त नाही, ज्यामुळे त्यांना अणू स्केलवर नियंत्रित करणे सोपे होते. त्यांच्या अभ्यासात ते वापरले व्हॅन डर वाल्स (vdW) अणुदृष्ट्या पातळ 2D थरांची असेंब्ली त्यांच्या संपूर्ण हेटरोस्ट्रक्चरमध्ये खूप उच्च थर्मल प्रतिरोध प्राप्त करण्यासाठी.

व्हॅन डेर वाल्स फोर्स* — 10-20 kJ/mol च्या उर्जेसह आंतर-आण्विक/आंतरपरमाणू परस्परसंवाद बल.

नवीन तंत्राने 2 nm जाडीच्या SiO2 (सिलिकॉन डायऑक्साइड) थराच्या तुलनेत 300 nm जाडीच्या vdW heterostructure मध्ये थर्मल रेझिस्टन्स मिळवणे शक्य केले.

याव्यतिरिक्त, व्हीडीडब्ल्यू हेटरोस्ट्रक्चर्सच्या वापरामुळे विविध अणु द्रव्यमान घनता आणि कंपन मोडसह विषम XNUMXD मोनोलेयर्सच्या लेयरिंगद्वारे अणू स्तरावर थर्मल गुणधर्मांवर नियंत्रण मिळवणे शक्य झाले आहे.

तर, मांजरीची मूंछे ओढू नका आणि या आश्चर्यकारक संशोधनाच्या परिणामांचा विचार करूया.

संशोधन परिणाम

सर्वप्रथम, या अभ्यासात वापरल्या जाणार्‍या व्हीडीडब्ल्यू हेटरोस्ट्रक्चर्सच्या मायक्रोस्ट्रक्चरल आणि ऑप्टिकल वैशिष्ट्यांशी परिचित होऊ या.

प्रतिमा #1

प्रतिमेवर एक्सएनयूएमएक्स (वरपासून खालपर्यंत): ग्राफीन (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 आणि SiO2/Si सब्सट्रेट असलेल्या चार-लेयर हेटरोस्ट्रक्चरचा क्रॉस-सेक्शनल आकृती दाखवते. सर्व स्तर एकाच वेळी स्कॅन करण्यासाठी, वापरा रमन लेसर* 532 एनएम तरंगलांबीसह.

रमन लेसर* - लेसरचा एक प्रकार ज्यामध्ये प्रकाश प्रवर्धनाची मुख्य यंत्रणा रमन स्कॅटरिंग आहे.

रमण विखुरला, या बदल्यात, पदार्थाच्या रेणूंवर ऑप्टिकल रेडिएशनचे लवचिक विखुरणे आहे, जे किरणोत्सर्गाच्या वारंवारतेमध्ये महत्त्वपूर्ण बदलांसह आहे.

हेटरोस्ट्रक्चर्सच्या मायक्रोस्ट्रक्चरल, थर्मल आणि इलेक्ट्रिकल एकसमानतेची पुष्टी करण्यासाठी अनेक पद्धती वापरल्या गेल्या: स्कॅनिंग ट्रान्समिशन इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (STEM), फोटोलुमिनेसेन्स स्पेक्ट्रोस्कोपी (PL), केल्विन प्रोब मायक्रोस्कोपी (KPM), स्कॅनिंग थर्मल मायक्रोस्कोपी (SThM), तसेच रमन आणि रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी. थर्मोमेट्री

प्रतिमा प्रतिमा 1b लाल बिंदूने चिन्हांकित केलेल्या ठिकाणी SiO2/Si सब्सट्रेटवरील Gr/MoSe2/MoS22/WSe2 हेटरोस्ट्रक्चरचा रमन स्पेक्ट्रम दाखवतो. हा प्लॉट लेयर अॅरेमधील प्रत्येक मोनोलेयरची स्वाक्षरी तसेच Si सब्सट्रेटची स्वाक्षरी दर्शवितो.

वर 1c-1f Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 heterostructure च्या गडद-फील्ड STEM प्रतिमा दर्शविल्या आहेत (1c) आणि Gr/MoS2/WSe22 हेटरोस्ट्रक्चर्स (1d-1f) विविध जाळी अभिमुखतेसह. STEM प्रतिमा कोणत्याही दूषिततेशिवाय अणुदृष्ट्या जवळच्या vdW अंतर दर्शवितात, ज्यामुळे या heterostructures ची एकूण जाडी पूर्णपणे दृश्यमान होऊ शकते. फोटोल्युमिनेसेन्स (PL) स्पेक्ट्रोस्कोपी (पीएल) वापरून मोठ्या स्कॅनिंग भागात इंटरलेयर कपलिंगची उपस्थिती देखील पुष्टी केली गेली.1g). वेगळ्या मोनोलेयरच्या सिग्नलच्या तुलनेत हेटरोस्ट्रक्चरच्या आत वैयक्तिक स्तरांचा फोटोलुमिनेसेंट सिग्नल लक्षणीयरीत्या दाबला जातो. क्लोज इंटरलेयर परस्परसंवादामुळे इंटरलेयर चार्ज ट्रान्सफरच्या प्रक्रियेद्वारे हे स्पष्ट केले आहे, जे एनीलिंगनंतर आणखी मजबूत होते.

प्रतिमा #2

हेटरोस्ट्रक्चरच्या अणू प्लॅन्सवर लंब असलेल्या उष्णतेच्या प्रवाहाचे मोजमाप करण्यासाठी, स्तरांच्या अॅरेची रचना चार-प्रोब इलेक्ट्रिकल उपकरणांच्या स्वरूपात केली गेली. ग्राफीनचा वरचा थर पॅलेडियम (पीडी) इलेक्ट्रोडशी संपर्क साधतो आणि रमन थर्मोमेट्री मोजण्यासाठी हीटर म्हणून वापरला जातो.

ही इलेक्ट्रिकल हीटिंग पद्धत इनपुट पॉवरचे अचूक परिमाण प्रदान करते. दुसरी संभाव्य हीटिंग पद्धत, ऑप्टिकल, वैयक्तिक स्तरांच्या शोषण गुणांकांच्या अज्ञानामुळे अंमलात आणणे अधिक कठीण होईल.

वर एक्सएनयूएमएक्स चार-प्रोब मापन सर्किट दाखवते, आणि 2b चाचणी होत असलेल्या संरचनेचे शीर्ष दृश्य दाखवते. वेळापत्रक 2c तीन उपकरणांसाठी मोजलेली उष्णता हस्तांतरण वैशिष्ट्ये दर्शविते, एकामध्ये फक्त ग्राफीन आहे आणि दोनमध्ये Gr/WSe22 आणि Gr/MoSe2/WSe22 लेयर अॅरे आहेत. सर्व रूपे ग्राफीनचे द्विध्रुवीय वर्तन दर्शवतात, जे बँड गॅपच्या अनुपस्थितीशी संबंधित आहे.

असे देखील आढळून आले की विद्युत वाहकता वरच्या थरामध्ये (ग्रॅफीन) घडते, कारण त्याची विद्युत चालकता MoS2 आणि WSe22 पेक्षा जास्त प्रमाणात असते.

चाचणी केलेल्या उपकरणांची एकसंधता प्रदर्शित करण्यासाठी, केल्विन प्रोब मायक्रोस्कोपी (KPM) आणि स्कॅनिंग थर्मल मायक्रोस्कोपी (SThM) वापरून मोजमाप घेण्यात आले. चार्ट वर 2d रेखीय संभाव्य वितरण प्रकट करणारे KPM माप प्रदर्शित केले जातात. SThM विश्लेषणाचे परिणाम यामध्ये दर्शविले आहेत 2 चे दशक. येथे आपण इलेक्ट्रिकली गरम झालेल्या Gr/MoS2/WSe22 चॅनेलचा नकाशा पाहतो, तसेच पृष्ठभागाच्या हीटिंगमध्ये एकसमानतेची उपस्थिती पाहतो.

वर वर्णन केलेल्या स्कॅनिंग तंत्रांनी, विशेषत: SThM, अभ्यासाधीन संरचनेची एकसंधता, म्हणजेच तापमानाच्या बाबतीत, त्याची एकसंधता पुष्टी केली. पुढची पायरी म्हणजे रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी (म्हणजे रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी) वापरून प्रत्येक घटक स्तराचे तापमान मोजणे.

सर्व तीन उपकरणांची चाचणी घेण्यात आली, प्रत्येकाचे क्षेत्रफळ ~40 µm2 आहे. या प्रकरणात, हीटरची शक्ती 9 mW ने बदलली, आणि शोषलेली लेसर शक्ती ~5 μm0.5 च्या लेसर स्पॉट क्षेत्रासह ~2 μW च्या खाली होती.

प्रतिमा #3

चार्ट वर एक्सएनयूएमएक्स Gr/MoS2/WSe22 हेटरोस्ट्रक्चरमध्ये हीटर पॉवर वाढल्यामुळे प्रत्येक थर आणि सब्सट्रेटच्या तापमानात (∆T) वाढ दिसून येते.

प्रत्येक सामग्रीसाठी (थर) रेखीय कार्याचे उतार वैयक्तिक स्तर आणि उष्णता सिंक दरम्यान थर्मल प्रतिरोध (Rth=∆T/P) दर्शवतात. क्षेत्रावरील हीटिंगचे एकसमान वितरण दिल्यास, थर्मल प्रतिरोधकांचे तळापासून वरच्या थरापर्यंत सहजपणे विश्लेषण केले जाऊ शकते, ज्या दरम्यान त्यांची मूल्ये चॅनेल क्षेत्राद्वारे (WL) सामान्य केली जातात.

L आणि W ही चॅनेलची लांबी आणि रुंदी आहे, जी SiO2 सब्सट्रेटच्या जाडीपेक्षा आणि लॅटरल थर्मल हीटिंग लांबीपेक्षा लक्षणीयरीत्या जास्त आहे, जी ~0.1 μm आहे.

म्हणून, आम्ही Si सब्सट्रेटच्या थर्मल रेझिस्टन्सचे सूत्र काढू शकतो, जे असे दिसेल:

Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)

या परिस्थितीत kSi ≈ 90 W m−1 K−1, जी अशा उच्च डोप केलेल्या सब्सट्रेटची अपेक्षित थर्मल चालकता आहे.

Rth,WSe2 आणि Rth,Si मधील फरक ही 2 nm जाडीच्या SiO100 च्या थर्मल रेझिस्टन्सची आणि WSe2/SiO2 इंटरफेसच्या थर्मल बाउंड्री रेझिस्टन्सची (TBR) बेरीज आहे.

वरील सर्व पैलू एकत्र ठेवून, आपण Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, आणि Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2 स्थापित करू शकतो. म्हणून, आलेख पासून एक्सएनयूएमएक्स प्रत्येक WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 आणि Gr/MoS2 इंटरफेससाठी TBR मूल्य काढणे शक्य आहे.

पुढे, शास्त्रज्ञांनी रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी आणि थर्मल मायक्रोस्कोपी (थर्मल मायक्रोस्कोपी) वापरून मोजलेल्या सर्व हेटरोस्ट्रक्चर्सच्या एकूण थर्मल रेझिस्टन्सची तुलना केली.3b).

SiO2 वरील बिलेयर आणि ट्रायलेयर हेटरोस्ट्रक्चर्सने खोलीच्या तापमानावर 220 ते 280 m2 K/GW या श्रेणीत प्रभावी थर्मल प्रतिरोध प्रदर्शित केला आहे, जो 2 ते 290 nm जाडी असलेल्या SiO360 च्या थर्मल रेझिस्टन्सच्या समतुल्य आहे. अभ्यासा अंतर्गत हेटरोस्ट्रक्चर्सची जाडी 2 एनएम पेक्षा जास्त नाही हे तथ्य असूनही (1d-1f), त्यांची थर्मल चालकता खोलीच्या तपमानावर 0.007-0.009 W m−1 K−1 आहे.

प्रतिमा #4

प्रतिमा 4 सर्व चार संरचनेचे मोजमाप आणि त्यांच्या इंटरफेसची थर्मल सीमा चालकता (TBC) दर्शविते, जे आम्हाला पूर्वी मोजलेल्या थर्मल रेझिस्टन्स (TBC = 1 / TBR) वर प्रत्येक लेयरच्या प्रभावाच्या डिग्रीचे मूल्यांकन करण्यास अनुमती देते.

संशोधकांनी नमूद केले आहे की विभक्त मोनोलेअर्स (2D/2D), विशेषत: WSe2 आणि SiO2 मोनोलेयर्समधील अणुरीत्या जवळच्या इंटरफेससाठी हे पहिले TBC मापन आहे.

मोनोलेयर WSe2/SiO2 इंटरफेसचा TBC मल्टीलेयर WSe2/SiO2 इंटरफेसपेक्षा कमी आहे, जे आश्चर्यकारक नाही कारण मोनोलेयरमध्ये प्रसारणासाठी कमी बेंडिंग फोनॉन मोड उपलब्ध आहेत. सोप्या भाषेत सांगायचे तर, 2D स्तरांमधील इंटरफेसचा TBC 2D स्तर आणि 3D SiO2 सब्सट्रेटमधील इंटरफेसच्या TBC पेक्षा कमी आहे (4b).

अभ्यासाच्या बारकाव्यांबद्दल अधिक तपशीलवार परिचित होण्यासाठी, मी पहाण्याची शिफारस करतो शास्त्रज्ञांनी अहवाल दिला и अतिरिक्त साहित्य त्याला.

एपिलोग

हे संशोधन, जसे की शास्त्रज्ञ स्वतः दावा करतात, आम्हाला ज्ञान देते जे अणू थर्मल इंटरफेसच्या अंमलबजावणीमध्ये लागू केले जाऊ शकते. या कार्याने उष्णता-इन्सुलेट मेटामटेरियल तयार करण्याची शक्यता दर्शविली ज्यांचे गुणधर्म निसर्गात आढळत नाहीत. याव्यतिरिक्त, स्तरांचे अणू प्रमाण असूनही, अशा संरचनांचे अचूक तापमान मोजमाप पार पाडण्याची शक्यता देखील अभ्यासाने पुष्टी केली.

वर वर्णन केलेले हेटरोस्ट्रक्चर्स अल्ट्रा-लाइट आणि कॉम्पॅक्ट थर्मल "शिल्ड्स" साठी आधार बनू शकतात, उदाहरणार्थ, इलेक्ट्रॉनिक्समधील हॉट स्पॉट्समधून उष्णता काढून टाकण्यास सक्षम. याव्यतिरिक्त, हे तंत्रज्ञान थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर किंवा थर्मलली नियंत्रित उपकरणांमध्ये वापरले जाऊ शकते, त्यांची कार्यक्षमता वाढवते.

हा अभ्यास पुन्हा एकदा पुष्टी करतो की आधुनिक विज्ञानाला "थिंबलमधील कार्यक्षमता" या तत्त्वामध्ये गांभीर्याने रस आहे, ज्याला ग्रहावरील मर्यादित संसाधने आणि सर्व प्रकारच्या तांत्रिक नवकल्पनांच्या मागणीतील सतत वाढ लक्षात घेता मूर्ख कल्पना म्हणता येणार नाही.

तुमचे लक्ष दिल्याबद्दल धन्यवाद, उत्सुक रहा आणि प्रत्येकाचा आठवडा चांगला जावो! 🙂

आमच्यासोबत राहिल्याबद्दल धन्यवाद. तुम्हाला आमचे लेख आवडतात का? अधिक मनोरंजक सामग्री पाहू इच्छिता? ऑर्डर देऊन किंवा मित्रांना शिफारस करून आम्हाला समर्थन द्या, एंट्री-लेव्हल सर्व्हरच्या अनन्य अॅनालॉगवर Habr वापरकर्त्यांसाठी 30% सवलत, ज्याचा शोध आम्ही तुमच्यासाठी लावला आहे: VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps बद्दल संपूर्ण सत्य $20 पासून किंवा सर्व्हर कसा शेअर करायचा? (RAID1 आणि RAID10 सह उपलब्ध, 24 कोर पर्यंत आणि 40GB DDR4 पर्यंत).

Dell R730xd 2 पट स्वस्त? फक्त इथेच 2 x इंटेल टेट्राडेका-कोर Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 टीव्ही $199 पासून नेदरलँड मध्ये! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - $99 पासून! बद्दल वाचा इन्फ्रास्ट्रक्चर कॉर्पोरेशन कसे तयार करावे. डेल R730xd E5-2650 v4 सर्व्हरचा वापर करून 9000 युरो किमतीचा वर्ग?

स्त्रोत: www.habr.com