यदि तपाइँसँग ल्यापटप छ भने किन तताउने प्याड: परमाणु स्तरमा थर्मल प्रतिरोधको अध्ययन

विश्वभरका धेरै गेमरहरू जसले Xbox 360 युगको अनुभव गरेका थिए तिनीहरूको कन्सोल फ्राइङ प्यानमा परिणत हुँदा तिनीहरूले अण्डा फ्राइ गर्न सक्ने अवस्थासँग धेरै परिचित छन्। यस्तै दु:खद अवस्था केवल गेम कन्सोलमा मात्र होइन, फोन, ल्यापटप, ट्याब्लेट र अन्य धेरैमा पनि हुन्छ। सिद्धान्तमा, लगभग कुनै पनि इलेक्ट्रोनिक उपकरणले थर्मल झटका अनुभव गर्न सक्छ, जसले न केवल यसको विफलता र यसको मालिकलाई निराश गर्न सक्छ, तर ब्याट्रीको "खराब बूम" र गम्भीर चोट पनि। आज हामी एउटा अध्ययनसँग परिचित हुनेछौं जसमा स्ट्यानफोर्ड विश्वविद्यालयका वैज्ञानिकहरू, कमिक्सका निक फ्युरी जस्ता, एक ढाल सिर्जना गरेका छन् जसले गर्मी-संवेदनशील इलेक्ट्रोनिक भागहरूलाई अतितात हुनबाट जोगाउँछ र फलस्वरूप, तिनीहरूको ब्रेकडाउन रोक्छ। वैज्ञानिकहरूले थर्मल ढाल सिर्जना गर्न कसरी व्यवस्थापन गरे, यसको मुख्य घटकहरू के हुन् र यो कति प्रभावकारी छ? हामीले अनुसन्धान समूहको रिपोर्टबाट यस र थप कुराहरू सिक्न सक्छौं। जानुहोस्।

अनुसन्धानको आधार

ओभरहेटिंगको समस्या धेरै लामो समयदेखि ज्ञात छ, र वैज्ञानिकहरूले यसलाई विभिन्न तरिकामा समाधान गर्छन्। केहि सबैभन्दा लोकप्रिय गिलास, प्लास्टिक र हावाको तहको प्रयोग हो, जसले थर्मल विकिरणको एक प्रकारको इन्सुलेटरको रूपमा सेवा गर्दछ। आधुनिक वास्तविकताहरूमा, यस विधिलाई थर्मल इन्सुलेशन गुणहरू नगुमाई धेरै परमाणुहरूमा सुरक्षात्मक तहको मोटाई घटाएर सुधार गर्न सकिन्छ। अनुसन्धानकर्ताहरूले ठ्याक्कै त्यही गरे।

निस्सन्देह, हामी nanomaterials बारेमा कुरा गर्दै छन्। यद्यपि, थर्मल इन्सुलेशनमा तिनीहरूको प्रयोग पहिले यो तथ्यले जटिल थियो कि शीतलकहरूको तरंगदैर्ध्य (फोनन*) इलेक्ट्रोन वा फोटोन भन्दा धेरै छोटो छ।

फोनोन* - एक क्वासिपार्टिकल, जुन क्रिस्टल परमाणुहरूको कम्पन गतिको मात्रा हो।

थप रूपमा, फोननहरूको बोसोनिक प्रकृतिको कारणले गर्दा, तिनीहरूलाई भोल्टेजद्वारा नियन्त्रण गर्न असम्भव छ (जस्तै चार्ज वाहकहरूसँग गरिन्छ), जसले सामान्यतया ठोसहरूमा तातो स्थानान्तरण नियन्त्रण गर्न गाह्रो बनाउँछ।

विगतमा, ठोसहरूको थर्मल गुणहरू, जसरी अनुसन्धानकर्ताहरूले हामीलाई सम्झाउँछन्, संरचनात्मक विकार र उच्च घनत्व इन्टरफेसहरू वा सिलिकन र जर्मेनियम न्यानोवायरहरू मार्फत बलियो फोनन स्क्याटरिङको कारणले गर्दा नानोलामिनेट फिल्महरू र सुपरल्याटिसहरू मार्फत नियन्त्रण गरिएको थियो।

माथि वर्णन गरिएको थर्मल इन्सुलेशन विधिहरूको संख्यामा, वैज्ञानिकहरू विश्वस्त रूपमा दुई-आयामी सामग्रीहरू एट्रिब्यूट गर्न तयार छन्, जसको मोटाई धेरै परमाणुहरू भन्दा बढी छैन, जसले तिनीहरूलाई परमाणु स्केलमा नियन्त्रण गर्न सजिलो बनाउँछ। तिनीहरूले आफ्नो अध्ययनमा प्रयोग गरे भ्यान डर वाल्स (vdW) परमाणु पातलो 2D तहहरूको संयोजन तिनीहरूको हेटेरोस्ट्रक्चरमा धेरै उच्च थर्मल प्रतिरोध प्राप्त गर्न।

भ्यान डेर वाल्स बल* - 10-20 kJ/mol को ऊर्जा संग अन्तरआणविक/अन्तर्आण्विक अन्तरक्रिया बल।

नयाँ प्रविधिले ३०० एनएम बाक्लो SiO2 (सिलिकन डाइअक्साइड) तहमा तुलना गर्न सकिने २ nm बाक्लो vdW heterostructure मा थर्मल प्रतिरोध प्राप्त गर्न सम्भव बनायो।

थप रूपमा, vdW heterostructures को प्रयोगले विभिन्न परमाणु जन घनत्व र कम्पन मोडहरूको साथ विषम XNUMXD monolayers को तह मार्फत परमाणु स्तरमा थर्मल गुणहरूमा नियन्त्रण प्राप्त गर्न सम्भव बनाएको छ।

त्यसोभए, बिरालोको व्हिस्कर्स तान्दैनौं र यो अचम्मको अनुसन्धानको नतिजालाई विचार गर्न सुरु गरौं।

अनुसन्धान परिणामहरू

सबै भन्दा पहिले, हामी यस अध्ययनमा प्रयोग गरिएको vdW heterostructures को माइक्रोस्ट्रक्चरल र अप्टिकल विशेषताहरु संग परिचित गरौं।

छवि #1

छवि मा 1 (माथि देखि तल सम्म): graphene (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 र एक SiO2/Si सब्सट्रेट सम्मिलित चार-तह heterostructure को एक क्रस-सेक्शनल रेखाचित्र देखाउँछ। सबै तहहरू एकै साथ स्क्यान गर्न, प्रयोग गर्नुहोस् रमन लेजर* 532 nm को तरंग लम्बाइको साथ।

रमन लेजर* - एक प्रकारको लेजर जसमा प्रकाश प्रवर्धनको मुख्य संयन्त्र रमन स्क्याटरिङ हो।

रमन छर्दै, बारीमा, पदार्थको अणुहरूमा अप्टिकल विकिरणको अलोचक बिखराव हो, जुन विकिरणको आवृत्तिमा महत्त्वपूर्ण परिवर्तनको साथमा हुन्छ।

हेटरोस्ट्रक्चरको माइक्रोस्ट्रक्चरल, थर्मल र इलेक्ट्रिकल एकरूपता पुष्टि गर्न धेरै विधिहरू प्रयोग गरिएको थियो: स्क्यानिङ ट्रान्समिशन इलेक्ट्रोन माइक्रोस्कोपी (STEM), फोटोलुमिनेसेन्स स्पेक्ट्रोस्कोपी (PL), केल्भिन प्रोब माइक्रोस्कोपी (KPM), स्क्यानिङ थर्मल माइक्रोस्कोपी (SThM), साथसाथै रमन र स्पेक्ट्रोस्कोपी। थर्मोमेट्री।

छवि छवि 1b हामीलाई रातो डटले चिन्ह लगाइएको स्थानमा SiO2/Si सब्सट्रेटमा Gr/MoSe2/MoS22/WSe2 heterostructure को रमन स्पेक्ट्रम देखाउँछ। यस प्लटले तह एरेमा प्रत्येक मोनोलेयरको हस्ताक्षर, साथै Si सब्सट्रेटको हस्ताक्षर देखाउँदछ।

मा 1c-1f Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 heterostructure को गाढा-फिल्ड STEM छविहरू देखाइएका छन् (1.०с) र Gr/MoS2/WSe22 heterostructures (1d-1f) विभिन्न जाली अभिमुखीकरण संग। STEM छविहरूले कुनै पनि प्रदूषण बिना परमाणु रूपमा नजिकको vdW अंतरहरू देखाउँदछ, यी heterostructures को समग्र मोटाई पूर्ण रूपमा देखिने अनुमति दिन्छ। फोटोलुमिनेसेन्स (PL) स्पेक्ट्रोस्कोपी प्रयोग गरेर ठूला स्क्यानिङ क्षेत्रहरूमा इन्टरलेयर कपलिंगको उपस्थिति पनि पुष्टि भयो।1g)। हेटेरोस्ट्रक्चर भित्र व्यक्तिगत तहहरूको फोटोलुमिनेसेन्ट सिग्नललाई पृथक मोनोलेयरको संकेतको तुलनामा उल्लेखनीय रूपमा दबाइन्छ। यो इन्टरलेयर चार्ज ट्रान्सफरको प्रक्रिया द्वारा व्याख्या गरिएको छ क्लोज इन्टरलेयर अन्तरक्रियाको कारण, जुन एनिलिङ पछि अझ बलियो हुन्छ।

छवि #2

Heterostructure को परमाणु विमानहरु लाई लम्बवत ताप प्रवाह मापन गर्न को लागी, तहहरु को एरे चार-प्रोब बिजुली उपकरण को रूप मा संरचित थियो। ग्राफिन कन्ट्याक्ट प्यालेडियम (Pd) इलेक्ट्रोडको माथिल्लो तह रमण थर्मोमेट्री मापनको लागि हीटरको रूपमा प्रयोग गरिन्छ।

यो विद्युतीय तताउने विधिले इनपुट पावरको सटीक परिमाणीकरण प्रदान गर्दछ। अर्को सम्भावित तताउने विधि, अप्टिकल, व्यक्तिगत तहहरूको अवशोषण गुणांकहरूको अज्ञानताको कारण कार्यान्वयन गर्न अझ गाह्रो हुनेछ।

मा 2 चार-प्रोब मापन सर्किट देखाउँछ, र 2b परीक्षण भइरहेको संरचनाको शीर्ष दृश्य देखाउँछ। तालिका 2.०с तीनवटा यन्त्रहरूका लागि मापन गरिएको ताप स्थानान्तरण विशेषताहरू देखाउँदछ, एउटा मात्र ग्राफिन समावेश र दुईवटा Gr/WSe22 र Gr/MoSe2/WSe22 तह एरेहरू समावेश गर्दछ। सबै भेरियन्टहरूले ग्राफिनको एम्बिपोलर व्यवहार देखाउँछन्, जुन ब्यान्ड ग्यापको अनुपस्थितिसँग सम्बन्धित छ।

यो पनि फेला पर्यो कि वर्तमान प्रवाह र तताउने माथिल्लो तह (ग्रेफिन) मा हुन्छ, किनकि यसको विद्युतीय चालकता MoS2 र WSe22 भन्दा धेरै परिमाणको अर्डर हो।

परीक्षण गरिएका उपकरणहरूको एकरूपता प्रदर्शन गर्न, केल्भिन प्रोब माइक्रोस्कोपी (KPM) र स्क्यानिङ थर्मल माइक्रोस्कोपी (SThM) प्रयोग गरेर मापन गरिएको थियो। चार्टमा 2d KPM मापनहरू रैखिक सम्भावित वितरण प्रकट गर्दै प्रदर्शित हुन्छन्। SThM विश्लेषण को नतिजा मा देखाइएको छ 2। यहाँ हामी विद्युतीय तताउने Gr/MoS2/WSe22 च्यानलहरूको नक्सा, साथै सतह तापमा एकरूपताको उपस्थिति देख्छौं।

माथि वर्णन गरिएको स्क्यानिङ प्रविधिहरू, विशेष रूपमा SThM, अध्ययन अन्तर्गत संरचनाको एकरूपता पुष्टि भयो, अर्थात् तापक्रमको हिसाबले यसको एकरूपता। अर्को चरण रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी (अर्थात, रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी) को प्रयोग गरी प्रत्येक घटक तहको तापक्रम मापन गर्नु थियो।

सबै तीन यन्त्रहरू परीक्षण गरियो, प्रत्येक ~ 40 µm2 को क्षेत्रफलको साथ। यस अवस्थामा, हीटर पावर 9 mW ले परिवर्तन भयो, र अवशोषित लेजर पावर ~ 5 μm0.5 को लेजर स्पट क्षेत्रको साथ ~2 μW भन्दा कम थियो।

छवि #3

चार्टमा 3 Gr/MoS2/WSe22 heterostructure मा हीटर पावर बढ्दा प्रत्येक तह र सब्सट्रेटको तापक्रम (∆T) मा वृद्धि देखिन्छ।

प्रत्येक सामग्री (तह) को लागि रैखिक प्रकार्य को ढलान व्यक्तिगत तह र गर्मी सिंक बीच थर्मल प्रतिरोध (Rth=∆T/P) को संकेत गर्दछ। क्षेत्र मा ताप को एक समान वितरण को लागी, थर्मल प्रतिरोधहरु लाई तल देखि माथिल्लो तह सम्म सजिलै संग विश्लेषण गर्न सकिन्छ, जसको समयमा तिनीहरूको मान च्यानल क्षेत्र (WL) द्वारा सामान्यीकृत गरिन्छ।

L र W च्यानल लम्बाइ र चौडाइ हुन्, जुन SiO2 सब्सट्रेटको मोटाई र पार्श्व थर्मल हीटिंग लम्बाइ, जुन ~ ०.१ μm हो भन्दा धेरै ठूलो छ।

त्यसकारण, हामी Si सब्सट्रेटको थर्मल प्रतिरोधको लागि सूत्र निकाल्न सक्छौं, जुन यस्तो देखिन्छ:

Rth, Si ≈ (WL)1/2 / (2kसि)

यस अवस्थामा kSi ≈ 90 W m−1 K−1, जुन यस्तो अत्यधिक डोप गरिएको सब्सट्रेटको अपेक्षित थर्मल चालकता हो।

Rth,WSe2 र Rth,Si बीचको भिन्नता 2 nm बाक्लो SiO100 को थर्मल प्रतिरोध र WSe2/SiO2 इन्टरफेसको थर्मल बाउन्ड्री प्रतिरोध (TBR) को योगफल हो।

माथिका सबै पक्षहरूलाई एकसाथ राखेर, हामी Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, र Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2 स्थापित गर्न सक्छौं। त्यसैले, ग्राफबाट 3 प्रत्येक WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 र Gr/MoS2 इन्टरफेसहरूको लागि TBR मान निकाल्न सम्भव छ।

त्यसपछि, वैज्ञानिकहरूले रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी र थर्मल माइक्रोस्कोपी (3b).

SiO2 मा Bilayer र trilayer heterostructures ले कोठाको तापक्रममा 220 देखि 280 m2 K/GW को दायरामा प्रभावकारी थर्मल प्रतिरोध प्रदर्शन गर्‍यो, जुन 2 देखि 290 nm को मोटाईको SiO360 को थर्मल प्रतिरोध बराबर हो। अध्ययन अन्तर्गत heterostructures को मोटाई 2 nm भन्दा बढी छैन भन्ने तथ्यको बावजुद (1d-1f), तिनीहरूको थर्मल चालकता कोठाको तापमानमा 0.007-0.009 W m−1 K−1 हो।

छवि #4

छवि 4 ले सबै चार संरचनाहरूको मापन र तिनीहरूको इन्टरफेसको थर्मल सीमा चालकता (TBC) देखाउँछ, जसले हामीलाई पहिले मापन गरिएको थर्मल प्रतिरोध (TBC = 1 / TBR) मा प्रत्येक तहको प्रभावको डिग्री मूल्याङ्कन गर्न अनुमति दिन्छ।

अन्वेषकहरूले नोट गर्छन् कि यो छुट्टै मोनोलेयरहरू (2D/2D), विशेष गरी WSe2 र SiO2 मोनोलेयरहरू बीचको परमाणु रूपमा नजिकको इन्टरफेसहरूको लागि पहिलो TBC मापन हो।

मोनोलेयर WSe2/SiO2 इन्टरफेसको TBC बहु-लेयर WSe2/SiO2 इन्टरफेसको भन्दा कम छ, जुन अचम्मको कुरा होइन किनभने मोनोलेयरसँग प्रसारणको लागि उपलब्ध कम झुकाउने फोनन मोडहरू छन्। सरल भाषामा भन्नुपर्दा, 2D तहहरू बीचको इन्टरफेसको TBC 2D तह र 3D SiO2 सब्सट्रेट बीचको इन्टरफेसको TBC भन्दा कम छ (4b).

अध्ययन को सूक्ष्मता संग एक अधिक विस्तृत परिचित को लागी, म हेर्न को लागी सिफारिस गर्दछु वैज्ञानिकहरु रिपोर्ट и अतिरिक्त सामग्री उहाँलाई।

Epilogue

यो अनुसन्धान, वैज्ञानिकहरूले आफैंले दाबी गरेझैं, हामीलाई ज्ञान दिन्छ जुन परमाणु थर्मल इन्टरफेसहरूको कार्यान्वयनमा लागू गर्न सकिन्छ। यस कार्यले गर्मी-इन्सुलेट मेटामेटेरियलहरू सिर्जना गर्ने सम्भावना देखाएको छ जसको गुण प्रकृतिमा फेला पर्दैन। थप रूपमा, अध्ययनले तहहरूको परमाणु स्केलको बावजुद त्यस्ता संरचनाहरूको सटीक तापक्रम मापन गर्ने सम्भावनालाई पनि पुष्टि गर्‍यो।

माथि वर्णन गरिएका हेटरोस्ट्रक्चरहरू अल्ट्रा-लाइट र कम्प्याक्ट थर्मल "ढाल" को आधार बन्न सक्छन्, उदाहरणका लागि, इलेक्ट्रोनिक्समा तातो ठाउँहरूबाट तातो हटाउन सक्षम। थप रूपमा, यो प्रविधि थर्मोइलेक्ट्रिक जेनरेटर वा थर्मल नियन्त्रित उपकरणहरूमा प्रयोग गर्न सकिन्छ, तिनीहरूको प्रदर्शन बढाउँदै।

यस अध्ययनले एक पटक फेरि पुष्टि गर्दछ कि आधुनिक विज्ञान "थम्बलमा दक्षता" को सिद्धान्तमा गम्भीर रूपमा चासो राख्छ, जुन ग्रहको सीमित स्रोतहरू र सबै प्रकारका प्राविधिक आविष्कारहरूको मागमा निरन्तर वृद्धिलाई बेवकूफ विचार भन्न सकिँदैन।

तपाइँको ध्यान को लागी धन्यवाद, जिज्ञासु रहनुहोस् र सबैको एक राम्रो हप्ता हो! 🙂

हामीसँग रहनु भएकोमा धन्यवाद। के तपाईलाई हाम्रा लेखहरू मनपर्छ? थप रोचक सामग्री हेर्न चाहनुहुन्छ? हामीलाई अर्डर गरेर वा साथीहरूलाई सिफारिस गरेर समर्थन गर्नुहोस्, Habr प्रयोगकर्ताहरूको लागि 30% छुट प्रविष्टि-स्तर सर्भरहरूको एक अद्वितीय एनालगमा, जुन तपाईंको लागि हामीद्वारा आविष्कार गरिएको थियो: VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 कोर) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps $ 20 बाट वा कसरी सर्भर साझा गर्ने बारे सम्पूर्ण सत्य? (RAID1 र RAID10 सँग उपलब्ध, 24 कोर सम्म र 40GB DDR4 सम्म)।

डेल R730xd 2 गुणा सस्तो? यहाँ मात्र 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV $199 बाट नेदरल्याण्ड मा! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - $99 बाट! बारे पढ्नुहोस् पूर्वाधार कर्पोरेशन कसरी निर्माण गर्ने। डेल R730xd E5-2650 v4 सर्भरहरूको प्रयोगको साथ एक पैसाको लागि 9000 यूरो मूल्यको वर्ग?

स्रोत: www.habr.com