Ħafna gamers madwar id-dinja li esperjenzaw l-era Xbox 360 huma familjari ħafna mas-sitwazzjoni meta l-console tagħhom inbidel f'taġen li fuqu setgħu aqli l-bajd. Sitwazzjoni diqa simili sseħħ mhux biss bil-konsols tal-logħob, iżda wkoll ma 'telefowns, laptops, tablets u ħafna aktar. Fil-prinċipju, kważi kull apparat elettroniku jista 'jesperjenza xokk termali, li jista' jwassal mhux biss għall-falliment tiegħu u t-taqlib tas-sid tiegħu, iżda wkoll għall-"boom ħażina" tal-batterija u korriment serju. Illum se nkunu familjari ma 'studju li fih xjenzati mill-Università ta' Stanford, bħal Nick Fury mill-komiks, ħolqu tarka li tipproteġi partijiet elettroniċi sensittivi għas-sħana milli jisħnu żżejjed u, bħala riżultat, jipprevjeni t-tqassim tagħhom. Ix-xjentisti kif irnexxielhom joħolqu tarka termali, x'inhuma l-komponenti ewlenin tagħha u kemm hi effettiva? Nitgħallmu dwar dan u aktar mir-rapport tal-grupp ta 'riċerka. Mur.
Bażi tar-riċerka
Il-problema ta 'tisħin żejjed ilha magħrufa għal żmien twil ħafna, u x-xjenzati jsolvuha f'varjetà ta' modi. Uħud mill-aktar popolari huma l-użu ta 'ħġieġ, plastik u anke saffi ta' arja, li jservu bħala tip ta 'iżolaturi ta' radjazzjoni termali. Fir-realtajiet moderni, dan il-metodu jista 'jitjieb billi titnaqqas il-ħxuna tas-saff protettiv għal diversi atomi mingħajr ma jitilfu l-proprjetajiet ta' insulazzjoni termali tiegħu. Dak hu eżattament dak li għamlu r-riċerkaturi.
Aħna, ovvjament, nitkellmu dwar nanomaterjali. Madankollu, l-użu tagħhom fl-insulazzjoni termali qabel kien ikkumplikat mill-fatt li l-wavelength tal-likwidu li jkessaħ (fonons*) hija sinifikament iqsar minn dik ta 'elettroni jew fotoni.
Phonon* - a quasiparticule, li huwa quantum tal-moviment vibrazzjonali ta ' l-atomi tal-kristall.
Barra minn hekk, minħabba n-natura bosonika tal-fononi, huwa impossibbli li jiġu kkontrollati permezz ta 'vultaġġ (kif isir ma' trasportaturi ta 'ċarġ), li ġeneralment jagħmilha diffiċli biex jiġi kkontrollat it-trasferiment tas-sħana fis-solidi.
Preċedentement, il-proprjetajiet termali tas-solidi, kif ifakkruna r-riċerkaturi, kienu kkontrollati permezz ta 'films tan-nanolaminati u superlattices minħabba diżordni strutturali u interfaces ta' densità għolja, jew permezz ta 'nanowires tas-silikon u ġermanju minħabba t-tifrix qawwi tal-phonon.
Għal numru ta 'metodi ta' insulazzjoni termali deskritti hawn fuq, ix-xjenzati huma lesti b'fiduċja li jattribwixxu materjali bidimensjonali, li l-ħxuna tagħhom ma taqbiżx diversi atomi, li tagħmilhom faċli biex jiġu kkontrollati fuq skala atomika. Fl-istudju tagħhom użaw van der Waals (vdW) assemblaġġ ta 'saffi 2D atomikament irqaq biex tinkiseb reżistenza termali għolja ħafna fl-eterostruttura kollha tagħhom.
Forzi Van der Waals* — forzi ta' interazzjoni intermolekulari/interatomika b'enerġija ta' 10-20 kJ/mol.
It-teknika l-ġdida għamlitha possibbli li tinkiseb reżistenza termali f'eterostruttura vdW bi ħxuna ta '2 nm, komparabbli ma' dik f'saff ta 'SiO2 (dijossidu tas-silikon) bi ħxuna ta' 300 nm.
Barra minn hekk, l-użu ta ' eterostrutturi vdW għamilha possibbli li jinkiseb kontroll fuq il-proprjetajiet termali fil-livell atomiku permezz ta 'saffi ta' monosaffi XNUMXD eteroġenji b'densitajiet ta 'massa atomika differenti u modi vibrazzjonali.
Allura, ejja ma niġbdux il-whiskers tal-qattus u ejja nibdew nikkunsidraw ir-riżultati ta 'din ir-riċerka aqwa.
Riżultati tar-riċerka
L-ewwelnett, ejjew jiffamiljarizzaw ruħhom mal-karatteristiċi mikrostrutturali u ottiċi tal-eterostrutturi vdW użati f'dan l-istudju.
Immaġni #1
Fl-immaġini 1а turi dijagramma cross-sectional ta 'eterostruttura b'erba' saffi li tikkonsisti minn (minn fuq għal isfel): graphene (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 u substrat SiO2/Si. Biex tiskennja s-saffi kollha simultanjament, uża laser Raman* b'wavelength ta' 532 nm.
laser Raman* - tip ta 'lejżer li fih il-mekkaniżmu ewlieni ta' amplifikazzjoni tad-dawl huwa t-tifrix Raman.
Raman tifrix, imbagħad, hija t-tifrix inelastiku tar-radjazzjoni ottika fuq il-molekuli ta 'sustanza, li hija akkumpanjata minn bidla sinifikanti fil-frekwenza tar-radjazzjoni.
Intużaw diversi metodi biex jikkonfermaw l-omoġeneità mikrostrutturali, termali u elettrika ta 'eterostrutturi: mikroskopija elettronika ta' trasmissjoni ta 'skannjar (STEM), spettroskopija ta' fotoluminixxenza (PL), mikroskopija ta 'sonda Kelvin (KPM), mikroskopija termali ta' skannjar (SThM), kif ukoll spettroskopija Raman u termometrija.
Изображение 1b jurina l-ispettru Raman ta 'eterostruttura Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 fuq substrat SiO2/Si fil-post immarkat b'tikka ħamra. Din il-plott turi l-firma ta 'kull monosaff fil-firxa tas-saff, kif ukoll il-firma tas-sottostrat Si.
Fuq 1c-1f huma murija immaġini STEM tal-kamp skur tal-eterostruttura Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 (1s) u eterostrutturi Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) b'orjentazzjonijiet ta' kannizzata differenti. Immaġini STEM juru lakuni vdW atomikament qrib mingħajr ebda kontaminazzjoni, li jippermettu li l-ħxuna ġenerali ta 'dawn l-eterostrutturi tkun kompletament viżibbli. Il-preżenza ta 'akkoppjar ta' bejn is-saffi kienet ikkonfermata wkoll fuq żoni kbar ta 'skanjar bl-użu ta' spettroskopija ta 'fotoluminixxenza (PL) (1g). Is-sinjal fotoluminexxenti ta 'saffi individwali ġewwa l-eterostruttura huwa mrażżan b'mod sinifikanti meta mqabbel mas-sinjal ta' monosaff iżolat. Dan huwa spjegat mill-proċess tat-trasferiment ta 'ċarġ ta' bejn is-saffi minħabba l-interazzjoni mill-qrib bejn is-saffi, li ssir saħansitra aktar b'saħħitha wara l-ittemprar.
Immaġni #2
Sabiex titkejjel il-fluss tas-sħana perpendikolari għall-pjani atomiċi ta 'l-eterostruttura, il-firxa ta' saffi kienet strutturata fil-forma ta 'apparati elettriċi b'erba' sondi. Is-saff ta 'fuq tal-grafin jikkuntattja l-elettrodi tal-palladju (Pd) u jintuża bħala heater għall-kejl tat-termometrija Raman.
Dan il-metodu ta 'tisħin elettriku jipprovdi kwantifikazzjoni preċiża tal-qawwa tad-dħul. Metodu ieħor ta 'tisħin possibbli, ottiku, ikun aktar diffiċli biex jiġi implimentat minħabba l-injoranza tal-koeffiċjenti ta' assorbiment ta 'saffi individwali.
Fuq 2а juri ċirkwit ta 'kejl ta' erba 'sonda, u 2b turi veduta minn fuq tal-istruttura li qed tiġi ttestjata. Skeda 2s turi karatteristiċi ta 'trasferiment tas-sħana mkejla għal tliet apparati, wieħed li fih biss grafen u tnejn li fihom arrays ta' saffi Gr/WSe22 u Gr/MoSe2/WSe22. Il-varjanti kollha juru mġiba ambipolari tal-grafene, li hija assoċjata man-nuqqas ta 'faxxa tal-faxxa.
Instab ukoll li l-konduzzjoni tal-kurrent u t-tisħin iseħħu fis-saff ta 'fuq (grafene), peress li l-konduttività elettrika tagħha hija bosta ordnijiet ta' kobor ogħla minn dik ta 'MoS2 u WSe22.
Biex tintwera l-omoġeneità tal-apparati ttestjati, ittieħdu kejl bl-użu tal-mikroskopija tas-sonda Kelvin (KPM) u l-mikroskopija termali tal-iskannjar (SThM). Fuq il-grafika 2d Il-kejl tal-KPM jintwera li jiżvela d-distribuzzjoni potenzjali lineari. Ir-riżultati tal-analiżi SThM huma murija fi 2. Hawnhekk naraw mappa ta 'kanali Gr/MoS2/WSe22 imsaħħna bl-elettriku, kif ukoll il-preżenza ta' uniformità fit-tisħin tal-wiċċ.
It-tekniki tal-iskannjar deskritti hawn fuq, b'mod partikolari SThM, ikkonfermaw l-omoġeneità tal-istruttura taħt studju, jiġifieri l-omoġenità tagħha, f'termini ta 'temperaturi. Il-pass li jmiss kien li tikkwantifika t-temperatura ta 'kull wieħed mis-saffi kostitwenti bl-użu ta' spettroskopija Raman (jiġifieri, spettroskopija Raman).
It-tliet apparati ġew ittestjati, kull wieħed b'erja ta '~40 µm2. F'dan il-każ, il-qawwa tal-heater inbidlet b'9 mW, u l-qawwa tal-laser assorbita kienet taħt ~ 5 μW b'erja tal-post tal-lejżer ta '~0.5 μm2.
Immaġni #3
Fuq il-grafika 3а żieda fit-temperatura (∆T) ta 'kull saff u sottostrat hija viżibbli hekk kif tiżdied il-qawwa tal-heater fl-eterostruttura Gr/MoS2/WSe22.
L-inklinazzjonijiet tal-funzjoni lineari għal kull materjal (saff) jindikaw ir-reżistenza termali (Rth=∆T/P) bejn is-saff individwali u s-sink tas-sħana. Minħabba d-distribuzzjoni uniformi tat-tisħin fuq iż-żona, ir-reżistenzi termali jistgħu jiġu analizzati faċilment mill-qiegħ sas-saff ta 'fuq, li matulu l-valuri tagħhom huma normalizzati miż-żona tal-kanal (WL).
L u W huma t-tul u l-wisa 'tal-kanal, li huma akbar b'mod sinifikanti mill-ħxuna tas-sottostrat SiO2 u t-tul tat-tisħin termali laterali, li huwa ~ 0.1 μm.
Għalhekk, nistgħu niksbu l-formula għar-reżistenza termali tas-sottostrat tas-Si, li tidher bħal din:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
F'din is-sitwazzjoni kSi ≈ 90 W m−1 K−1, li hija l-konduttività termali mistennija ta 'tali sottostrat drogat ħafna.
Id-differenza bejn Rth, WSe2 u Rth, Si hija s-somma tar-reżistenza termali ta '2 nm oħxon SiO100 u r-reżistenza tal-konfini termali (TBR) ta' l-interface WSe2/SiO2.
Meta nqiegħdu l-aspetti kollha ta 'hawn fuq flimkien, nistgħu nistabbilixxu li Rth,MoS2 - Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, u Rth,Gr - Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Għalhekk, mill-graff 3а huwa possibbli li jiġi estratt il-valur TBR għal kull waħda mill-interfaces WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 u Gr/MoS2.
Sussegwentement, ix-xjentisti qabblu r-reżistenza termali totali ta 'l-eterostrutturi kollha, imkejla bl-użu ta' spettroskopija Raman u mikroskopija termali (3b).
Eterostrutturi bi saffi u trisaffi fuq SiO2 urew reżistenza termali effettiva fil-medda ta '220 sa 280 m2 K/GW f'temperatura tal-kamra, li hija ekwivalenti għar-reżistenza termali ta' SiO2 bi ħxuna ta '290 sa 360 nm. Minkejja l-fatt li l-ħxuna tal-eterostrutturi taħt studju ma taqbiżx iż-2 nm (1d-1f), il-konduttività termali tagħhom hija 0.007-0.009 W m−1 K−1 f'temperatura tal-kamra.
Immaġni #4
L-immaġni 4 turi l-kejl tal-erba 'strutturi kollha u l-konduttività tal-konfini termali (TBC) tal-interfaces tagħhom, li tippermettilna nevalwaw il-grad ta' influwenza ta 'kull saff fuq ir-reżistenza termali mkejla qabel (TBC = 1 / TBR).
Ir-riċerkaturi jinnotaw li dan huwa l-ewwel kejl TBC għal interfaces atomikament qrib bejn monosaffi separati (2D/2D), speċifikament bejn monosaffi WSe2 u SiO2.
It-TBC ta 'interface ta' monosaff WSe2/SiO2 huwa aktar baxx minn dak ta 'interface ta' WSe2/SiO2 b'ħafna saffi, li mhix sorprendenti peress li l-monosaff għandu b'mod sinifikanti inqas modi phonon liwi disponibbli għat-trażmissjoni. Fi kliem sempliċi, it-TBC tal-interface bejn is-saffi 2D huwa aktar baxx mit-TBC tal-interface bejn is-saff 2D u s-sottostrat 3D SiO2 (4b).
Għal familjarità aktar dettaljata mal-sfumaturi tal-istudju, nirrakkomanda li tħares lejn и lilu.
Epilogue
Din ir-riċerka, kif isostnu x-xjenzati nfushom, tagħtina għarfien li jista 'jiġi applikat fl-implimentazzjoni ta' interfaces termali atomiċi. Dan ix-xogħol wera l-possibbiltà li jinħolqu metamaterjali li jiżolaw is-sħana li l-proprjetajiet tagħhom ma jinstabux fin-natura. Barra minn hekk, l-istudju kkonferma wkoll il-possibbiltà li jitwettaq kejl preċiż tat-temperatura ta 'strutturi bħal dawn, minkejja l-iskala atomika tas-saffi.
L-eterostrutturi deskritti hawn fuq jistgħu jsiru l-bażi għal "ilqugħ" termali ultra-ħfief u kompatti, kapaċi, pereżempju, li jneħħu s-sħana minn hot spots fl-elettronika. Barra minn hekk, din it-teknoloġija tista 'tintuża f'ġeneraturi termoelettriċi jew tagħmir ikkontrollat termalment, u żżid il-prestazzjoni tagħhom.
Dan l-istudju għal darb'oħra jikkonferma li x-xjenza moderna hija interessata serjament fil-prinċipju ta '"effiċjenza f'thimble", li ma tistax tissejjaħ idea stupida, minħabba r-riżorsi limitati tal-pjaneta u t-tkabbir kontinwu fid-domanda għal kull tip ta' innovazzjonijiet teknoloġiċi.
Grazzi talli qrajt, ibqgħu kurjużi u għandkom ġimgħa mill-aqwa guys! 🙂
Grazzi talli bqajt magħna. Tħobb l-artikoli tagħna? Trid tara aktar kontenut interessanti? Appoġġuna billi tagħmel ordni jew tirrakkomanda lill-ħbieb, Roħs ta' 30% għall-utenti ta' Habr fuq analogu uniku ta' servers ta' livell ta' dħul, li ġie ivvintat minna għalik: (disponibbli b'RAID1 u RAID10, sa 24 core u sa 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 darbiet orħos? Hawn biss fl-Olanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - minn $99! Aqra dwar
Sors: www.habr.com