Ramai pemain di seluruh dunia yang mengalami era Xbox 360 sangat biasa dengan situasi apabila konsol mereka bertukar menjadi kuali di mana mereka boleh menggoreng telur. Situasi menyedihkan yang serupa berlaku bukan sahaja dengan konsol permainan, tetapi juga dengan telefon, komputer riba, tablet dan banyak lagi. Pada dasarnya, hampir mana-mana peranti elektronik boleh mengalami kejutan haba, yang boleh membawa bukan sahaja kepada kegagalan dan kekecewaan pemiliknya, tetapi juga kepada "ledakan buruk" bateri dan kecederaan serius. Hari ini kita akan berkenalan dengan kajian di mana saintis dari Universiti Stanford, seperti Nick Fury dari komik, telah mencipta perisai yang melindungi bahagian elektronik sensitif haba daripada terlalu panas dan, akibatnya, menghalang kerosakannya. Bagaimanakah saintis berjaya mencipta perisai haba, apakah komponen utamanya dan sejauh mana keberkesanannya? Kami belajar tentang ini dan banyak lagi daripada laporan kumpulan penyelidik. Pergi.
Asas penyelidikan
Masalah terlalu panas telah diketahui sejak sekian lama, dan saintis menyelesaikannya dalam pelbagai cara. Antara yang paling popular ialah penggunaan kaca, plastik dan juga lapisan udara, yang berfungsi sebagai sejenis penebat sinaran haba. Dalam realiti moden, kaedah ini boleh diperbaiki dengan mengurangkan ketebalan lapisan pelindung kepada beberapa atom tanpa kehilangan sifat penebat habanya. Itulah yang dilakukan oleh penyelidik.
Kami, sudah tentu, bercakap tentang bahan nano. Walau bagaimanapun, penggunaannya dalam penebat haba sebelum ini rumit oleh fakta bahawa panjang gelombang penyejuk (fonon*) adalah jauh lebih pendek daripada elektron atau foton.
fonon* - quasiparticle, yang merupakan kuantum gerakan getaran atom kristal.
Di samping itu, disebabkan sifat boson bagi fonon, adalah mustahil untuk mengawalnya dengan voltan (seperti yang dilakukan dengan pembawa cas), yang secara amnya menyukarkan untuk mengawal pemindahan haba dalam pepejal.
Sebelum ini, sifat terma pepejal, seperti yang diingatkan oleh penyelidik, dikawal melalui filem nanolaminat dan superlattices disebabkan oleh gangguan struktur dan antara muka berketumpatan tinggi, atau melalui wayar nano silikon dan germanium disebabkan oleh penyerakan fonon yang kuat.
Untuk beberapa kaedah penebat haba yang diterangkan di atas, saintis dengan yakin bersedia untuk mengaitkan bahan dua dimensi, ketebalannya tidak melebihi beberapa atom, yang menjadikannya mudah dikawal pada skala atom. Dalam kajian mereka mereka gunakan van der Waals (vdW) pemasangan lapisan 2D nipis atom untuk mencapai rintangan haba yang sangat tinggi sepanjang heterostrukturnya.
Pasukan Van der Waals* β daya interaksi antara molekul/interatomik dengan tenaga 10-20 kJ/mol.
Teknik baru memungkinkan untuk mendapatkan rintangan haba dalam heterostruktur vdW tebal 2 nm yang setanding dengan lapisan SiO2 (silikon dioksida) tebal 300 nm.
Di samping itu, penggunaan heterostruktur vdW telah memungkinkan untuk mendapatkan kawalan ke atas sifat terma pada tahap atom melalui lapisan monolayers XNUMXD heterogen dengan ketumpatan jisim atom yang berbeza dan mod getaran.
Jadi, jangan tarik misai kucing dan mari kita mula mempertimbangkan hasil penyelidikan yang menakjubkan ini.
Hasil penyelidikan
Pertama sekali, marilah kita berkenalan dengan ciri mikrostruktur dan optik bagi heterostruktur vdW yang digunakan dalam kajian ini.
Imej #1
Dalam imej 1a menunjukkan gambar rajah keratan rentas heterostruktur empat lapisan yang terdiri daripada (dari atas ke bawah): graphene (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 dan substrat SiO2/Si. Untuk mengimbas semua lapisan secara serentak, gunakan Laser Raman* dengan panjang gelombang 532 nm.
Laser Raman* - sejenis laser di mana mekanisme utama penguatan cahaya adalah hamburan Raman.
Raman berselerak, seterusnya, adalah penyebaran sinaran optik yang tidak anjal pada molekul bahan, yang disertai dengan perubahan ketara dalam kekerapan sinaran.
Beberapa kaedah telah digunakan untuk mengesahkan kehomogenan mikrostruktur, haba dan elektrik heterostruktur: mikroskop elektron penghantaran imbasan (STEM), spektroskopi photoluminescence (PL), mikroskop probe Kelvin (KPM), mikroskop terma pengimbasan (SThM), serta spektroskopi Raman dan termometri .
ΠΠ·ΠΎΠ±ΡΠ°ΠΆΠ΅Π½ΠΈΠ΅ 1b menunjukkan kepada kita spektrum Raman bagi heterostruktur Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 pada substrat SiO2/Si di lokasi yang ditandakan dengan titik merah. Plot ini menunjukkan tandatangan setiap lapisan tunggal dalam tatasusunan lapisan, serta tandatangan substrat Si.
Pada 1c-1f imej STEM medan gelap bagi heterostruktur Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 ditunjukkan (1c) dan heterostruktur Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) dengan orientasi kekisi yang berbeza. Imej STEM menunjukkan jurang vdW yang rapat secara atom tanpa sebarang pencemaran, membolehkan ketebalan keseluruhan heterostruktur ini dapat dilihat sepenuhnya. Kehadiran gandingan antara lapisan juga disahkan di kawasan pengimbasan besar menggunakan spektroskopi photoluminescence (PL) (1g). Isyarat photoluminescent lapisan individu di dalam heterostruktur ditekan dengan ketara berbanding dengan isyarat monolayer terpencil. Ini dijelaskan oleh proses pemindahan caj antara lapisan disebabkan oleh interaksi antara lapisan yang rapat, yang menjadi lebih kuat selepas penyepuhlindapan.
Imej #2
Untuk mengukur aliran haba yang berserenjang dengan satah atom heterostruktur, susunan lapisan telah distrukturkan dalam bentuk peranti elektrik empat kuar. Lapisan atas graphene menyentuh elektrod paladium (Pd) dan digunakan sebagai pemanas untuk pengukuran termometri Raman.
Kaedah pemanasan elektrik ini menyediakan kuantiti tepat kuasa input. Satu lagi kaedah pemanasan yang mungkin, optik, akan menjadi lebih sukar untuk dilaksanakan kerana ketidaktahuan tentang pekali penyerapan lapisan individu.
Pada 2a menunjukkan litar ukuran empat kuar, dan 2b menunjukkan paparan atas struktur yang sedang diuji. Jadual 2c menunjukkan ciri pemindahan haba yang diukur untuk tiga peranti, satu mengandungi hanya graphene dan dua mengandungi tatasusunan lapisan Gr/WSe22 dan Gr/MoSe2/WSe22. Semua varian menunjukkan tingkah laku ambipolar graphene, yang dikaitkan dengan ketiadaan jurang jalur.
Ia juga didapati bahawa pengaliran arus dan pemanasan berlaku di lapisan atas (graphene), kerana kekonduksian elektriknya adalah beberapa urutan magnitud lebih tinggi daripada MoS2 dan WSe22.
Untuk menunjukkan kehomogenan peranti yang diuji, pengukuran telah diambil menggunakan mikroskop probe Kelvin (KPM) dan mikroskop terma pengimbasan (SThM). Pada carta 2d Pengukuran KPM dipaparkan mendedahkan taburan potensi linear. Keputusan analisis SThM ditunjukkan dalam Ke-2. Di sini kita melihat peta saluran Gr/MoS2/WSe22 yang dipanaskan secara elektrik, serta kehadiran keseragaman dalam pemanasan permukaan.
Teknik pengimbasan yang diterangkan di atas, khususnya SThM, mengesahkan kehomogenan struktur yang dikaji, iaitu kehomogenannya, dari segi suhu. Langkah seterusnya adalah untuk mengukur suhu setiap lapisan konstituen menggunakan spektroskopi Raman (iaitu, spektroskopi Raman).
Ketiga-tiga peranti telah diuji, setiap satu dengan keluasan ~40 Β΅m2. Dalam kes ini, kuasa pemanas berubah sebanyak 9 mW, dan kuasa laser yang diserap adalah di bawah ~5 ΞΌW dengan kawasan titik laser ~0.5 ΞΌm2.
Imej #3
Pada carta 3a peningkatan suhu (βT) bagi setiap lapisan dan substrat kelihatan apabila kuasa pemanas dalam heterostruktur Gr/MoS2/WSe22 meningkat.
Cerun fungsi linear bagi setiap bahan (lapisan) menunjukkan rintangan haba (Rth=βT/P) antara lapisan individu dan sink haba. Memandangkan pengagihan seragam pemanasan di kawasan itu, rintangan haba boleh dianalisis dengan mudah dari bawah ke lapisan atas, di mana nilainya dinormalisasi oleh kawasan saluran (WL).
L dan W ialah panjang dan lebar saluran, yang jauh lebih besar daripada ketebalan substrat SiO2 dan panjang pemanasan haba sisi, iaitu ~0.1 ΞΌm.
Oleh itu, kita boleh memperoleh formula untuk rintangan haba substrat Si, yang akan kelihatan seperti ini:
Rth,Si β (WL)1/2 / (2kSi)
Dalam situasi ini kSi β 90 W mβ1 Kβ1, yang merupakan kekonduksian terma yang dijangkakan bagi substrat yang sangat terdop.
Perbezaan antara Rth,WSe2 dan Rth,Si ialah jumlah rintangan haba 2 nm tebal SiO100 dan rintangan sempadan terma (TBR) antara muka WSe2/SiO2.
Menggabungkan semua aspek di atas, kita boleh menetapkan bahawa Rth,MoS2 β Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, dan Rth,Gr β Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Oleh itu, daripada graf 3a adalah mungkin untuk mengekstrak nilai TBR untuk setiap antara muka WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 dan Gr/MoS2.
Seterusnya, saintis membandingkan jumlah rintangan haba semua heterostruktur, diukur menggunakan spektroskopi Raman dan mikroskop terma (3b).
Heterostruktur bilayer dan trilayer pada SiO2 mempamerkan rintangan haba yang berkesan dalam julat 220 hingga 280 m2 K/GW pada suhu bilik, yang bersamaan dengan rintangan haba SiO2 dengan ketebalan 290 hingga 360 nm. Walaupun fakta bahawa ketebalan heterostruktur yang dikaji tidak melebihi 2 nm (1d-1f), kekonduksian haba mereka ialah 0.007-0.009 W mβ1 Kβ1 pada suhu bilik.
Imej #4
Imej 4 menunjukkan ukuran keempat-empat struktur dan kekonduksian sempadan terma (TBC) antara muka mereka, yang membolehkan kita menilai tahap pengaruh setiap lapisan pada rintangan haba yang diukur sebelumnya (TBC = 1 / TBR).
Para penyelidik ambil perhatian bahawa ini adalah pengukuran TBC yang pertama untuk antara muka rapat atom antara lapisan tunggal (2D/2D) yang berasingan, khususnya antara lapisan tunggal WSe2 dan SiO2.
TBC antara muka WSe2/SiO2 berlapis tunggal adalah lebih rendah daripada antara muka WSe2/SiO2 berbilang lapisan, yang tidak menghairankan kerana lapisan tunggal mempunyai mod fonon lentur yang jauh lebih sedikit tersedia untuk penghantaran. Ringkasnya, TBC antara muka antara lapisan 2D adalah lebih rendah daripada TBC antara muka antara lapisan 2D dan substrat 3D SiO2 (4b).
Untuk kenalan yang lebih terperinci dengan nuansa kajian, saya cadangkan melihat ΠΈ kepada dia.
Epilog
Penyelidikan ini, seperti yang didakwa oleh saintis sendiri, memberi kita pengetahuan yang boleh digunakan dalam pelaksanaan antara muka terma atom. Kerja ini menunjukkan kemungkinan mencipta bahan metamaterial penebat haba yang sifatnya tidak terdapat di alam semula jadi. Di samping itu, kajian itu juga mengesahkan kemungkinan untuk menjalankan pengukuran suhu yang tepat bagi struktur tersebut, walaupun skala atom lapisan.
Heterostruktur yang diterangkan di atas boleh menjadi asas untuk "perisai" terma ultra-ringan dan padat, yang mampu, sebagai contoh, untuk mengeluarkan haba daripada titik panas dalam elektronik. Di samping itu, teknologi ini boleh digunakan dalam penjana termoelektrik atau peranti kawalan haba, meningkatkan prestasinya.
Kajian ini sekali lagi mengesahkan bahawa sains moden sangat berminat dengan prinsip "kecekapan dalam bidal," yang tidak boleh dipanggil idea bodoh, memandangkan sumber planet yang terhad dan pertumbuhan berterusan dalam permintaan untuk semua jenis inovasi teknologi.
Terima kasih atas perhatian anda, kekal ingin tahu dan selamat berhujung minggu semua! π
Terima kasih kerana tinggal bersama kami. Adakah anda suka artikel kami? Ingin melihat kandungan yang lebih menarik? Sokong kami dengan membuat pesanan atau mengesyorkan kepada rakan, Diskaun 30% untuk pengguna Habr pada analog unik pelayan peringkat permulaan, yang kami cipta untuk anda: (tersedia dengan RAID1 dan RAID10, sehingga 24 teras dan sehingga 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya disini di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - daripada $99! Baca tentang
Sumber: www.habr.com