Veel gamers over de hele wereld die het Xbox 360-tijdperk hebben meegemaakt, zijn zeer bekend met de situatie waarin hun console veranderde in een koekenpan waarop ze eieren konden bakken. Een soortgelijke trieste situatie doet zich niet alleen voor bij gameconsoles, maar ook bij telefoons, laptops, tablets en nog veel meer. In principe kan bijna elk elektronisch apparaat een thermische schok ervaren, wat niet alleen kan leiden tot falen en overstuur van de eigenaar, maar ook tot een "slechte groei" van de batterij en ernstig letsel. Vandaag maken we kennis met een onderzoek waarin wetenschappers van Stanford University, zoals Nick Fury uit de strips, een schild hebben gecreëerd dat warmtegevoelige elektronische onderdelen beschermt tegen oververhitting en als gevolg daarvan hun defecten voorkomt. Hoe zijn wetenschappers erin geslaagd een thermisch schild te creëren, wat zijn de belangrijkste componenten ervan en hoe effectief is het? Dit en meer leren we uit het rapport van de onderzoeksgroep. Gaan.
Onderzoeksbasis
Het probleem van oververhitting is al heel lang bekend en wetenschappers lossen het op verschillende manieren op. Enkele van de meest populaire zijn het gebruik van glas, plastic en zelfs luchtlagen, die dienen als een soort isolatoren van thermische straling. In de moderne realiteit kan deze methode worden verbeterd door de dikte van de beschermende laag terug te brengen tot enkele atomen zonder de thermische isolatie-eigenschappen te verliezen. Dat is precies wat de onderzoekers deden.
We hebben het natuurlijk over nanomaterialen. Het gebruik ervan bij thermische isolatie werd voorheen echter gecompliceerd door het feit dat de golflengte van koelmiddelen (fononen*) is aanzienlijk korter dan die van elektronen of fotonen.
Fonon* - een quasideeltje, dat een kwantum is van de vibrerende beweging van kristalatomen.
Bovendien is het vanwege de bosonische aard van fononen onmogelijk om ze door middel van spanning te regelen (zoals gebeurt bij ladingsdragers), wat het over het algemeen moeilijk maakt om de warmteoverdracht in vaste stoffen te controleren.
Voorheen werden de thermische eigenschappen van vaste stoffen, zoals onderzoekers ons herinneren, gecontroleerd door nanolaminaatfilms en superroosters als gevolg van structurele wanorde en grensvlakken met hoge dichtheid, of door silicium- en germanium-nanodraden als gevolg van sterke fononverstrooiing.
Aan een aantal van de hierboven beschreven thermische isolatiemethoden zijn wetenschappers vol vertrouwen bereid tweedimensionale materialen toe te schrijven, waarvan de dikte niet groter is dan meerdere atomen, waardoor ze gemakkelijk op atomaire schaal te controleren zijn. In hun studie gebruikten ze van der Waals (vdW) assemblage van atomair dunne 2D-lagen om een zeer hoge thermische weerstand door hun heterostructuur te bereiken.
Van der Waals-troepen* — intermoleculaire/interatomaire interactiekrachten met een energie van 10-20 kJ/mol.
De nieuwe techniek maakte het mogelijk om thermische weerstand te verkrijgen in een 2 nm dikke vdW-heterostructuur vergelijkbaar met die in een 2 nm dikke SiO300 (siliciumdioxide) laag.
Bovendien heeft het gebruik van vdW-heterostructuren het mogelijk gemaakt om controle te krijgen over thermische eigenschappen op atomair niveau door de gelaagdheid van heterogene XNUMXD-monolagen met verschillende atomaire massadichtheden en trillingsmodi.
Laten we dus niet aan de snorharen van de kat trekken en de resultaten van dit verbazingwekkende onderzoek gaan overwegen.
Onderzoeksresultaten
Laten we eerst kennis maken met de microstructurele en optische kenmerken van de vdW-heterostructuren die in deze studie worden gebruikt.
Afbeelding #1
Op de afbeelding 1a toont een dwarsdoorsnedediagram van een vierlaagse heterostructuur bestaande uit (van boven naar beneden): grafeen (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 en een SiO2/Si-substraat. Gebruik om alle lagen tegelijkertijd te scannen Raman-laser* met een golflengte van 532 nm.
Raman-laser* - een type laser waarbij het belangrijkste mechanisme voor lichtversterking Raman-verstrooiing is.
Raman-verstrooiing, op zijn beurt, is de inelastische verstrooiing van optische straling op de moleculen van een stof, die gepaard gaat met een significante verandering in de frequentie van de straling.
Er werden verschillende methoden gebruikt om de microstructurele, thermische en elektrische homogeniteit van heterostructuren te bevestigen: scanning-transmissie-elektronenmicroscopie (STEM), fotoluminescentiespectroscopie (PL), Kelvin-sondemicroscopie (KPM), scanning-thermische microscopie (SThM), evenals Raman-spectroscopie en thermometrie.
image 1b toont ons het Raman-spectrum van een Gr/MoSe2/MoS2/WSe22-heterostructuur op een SiO2/Si-substraat op de locatie gemarkeerd met een rode stip. Deze grafiek toont de signatuur van elke monolaag in de lagenarray, evenals de signatuur van het Si-substraat.
Op 1c-1f donkerveld-STEM-afbeeldingen van de Gr/MoSe2/MoS2/WSe22-heterostructuur worden getoond (1s) en Gr/MoS2/WSe22 heterostructuren (1d-1f) met verschillende roosteroriëntaties. STEM-afbeeldingen tonen atomair dichte vdW-openingen zonder enige verontreiniging, waardoor de algehele dikte van deze heterostructuren volledig zichtbaar is. De aanwezigheid van koppeling tussen de lagen werd ook bevestigd over grote scangebieden met behulp van fotoluminescentie (PL) spectroscopie (1g). Het fotoluminescente signaal van individuele lagen binnen de heterostructuur wordt aanzienlijk onderdrukt vergeleken met het signaal van een geïsoleerde monolaag. Dit wordt verklaard door het proces van ladingsoverdracht tussen de lagen als gevolg van nauwe interactie tussen de lagen, die na uitgloeien nog sterker wordt.
Afbeelding #2
Om de warmtestroom loodrecht op de atomaire vlakken van de heterostructuur te meten, werd de reeks lagen gestructureerd in de vorm van elektrische apparaten met vier sondes. De bovenste laag grafeen maakt contact met palladium (Pd)-elektroden en wordt gebruikt als verwarming voor Raman-thermometriemetingen.
Deze elektrische verwarmingsmethode zorgt voor een nauwkeurige kwantificering van het ingangsvermogen. Een andere mogelijke verwarmingsmethode, optisch, zou moeilijker te implementeren zijn vanwege onwetendheid over de absorptiecoëfficiënten van individuele lagen.
Op 2a toont een meetcircuit met vier sondes, en 2b toont een bovenaanzicht van de constructie die wordt getest. Schema 2s toont gemeten warmteoverdrachtskarakteristieken voor drie apparaten, één die alleen grafeen bevat en twee die Gr/WSe22- en Gr/MoSe2/WSe22-laagarrays bevatten. Alle varianten vertonen ambipolair gedrag van grafeen, dat geassocieerd is met de afwezigheid van een bandafstand.
Er werd ook gevonden dat stroomgeleiding en verwarming plaatsvinden in de bovenste laag (grafeen), omdat de elektrische geleidbaarheid ervan enkele ordes van grootte hoger is dan die van MoS2 en WSe22.
Om de homogeniteit van de geteste apparaten aan te tonen, werden metingen uitgevoerd met behulp van Kelvin-sondemicroscopie (KPM) en scanning-thermische microscopie (SThM). Op de kaart 2d KPM-metingen worden weergegeven en onthullen de lineaire potentiaalverdeling. De resultaten van de SThM-analyse worden weergegeven in 2e. Hier zien we een kaart van elektrisch verwarmde Gr/MoS2/WSe22-kanalen, evenals de aanwezigheid van uniformiteit in oppervlakteverwarming.
De hierboven beschreven scantechnieken, in het bijzonder SThM, bevestigden de homogeniteit van de onderzochte structuur, dat wil zeggen de homogeniteit ervan in termen van temperaturen. De volgende stap was het kwantificeren van de temperatuur van elk van de samenstellende lagen met behulp van Raman-spectroscopie (dat wil zeggen Raman-spectroscopie).
Alle drie de apparaten zijn getest, elk met een oppervlakte van ~40 µm2. In dit geval veranderde het verwarmingsvermogen met 9 mW en was het geabsorbeerde laservermogen lager dan ~5 μW met een laservlekoppervlak van ~0.5 μm2.
Afbeelding #3
op de kaart 3a een temperatuurstijging (∆T) van elke laag en substraat is zichtbaar naarmate het verwarmingsvermogen in de Gr/MoS2/WSe22-heterostructuur toeneemt.
De hellingen van de lineaire functie voor elk materiaal (laag) geven de thermische weerstand (Rth=∆T/P) aan tussen de individuele laag en het koellichaam. Gezien de uniforme verdeling van de verwarming over het gebied, kunnen thermische weerstanden eenvoudig worden geanalyseerd van de onderste naar de bovenste laag, waarbij hun waarden worden genormaliseerd door het kanaaloppervlak (WL).
L en W zijn de kanaallengte en -breedte, die aanzienlijk groter zijn dan de dikte van het SiO2-substraat en de laterale thermische verwarmingslengte, die ~0.1 μm bedraagt.
Daarom kunnen we de formule voor de thermische weerstand van het Si-substraat afleiden, die er als volgt uit zal zien:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
In deze situatie kSi ≈ 90 W m−1 K−1, wat de verwachte thermische geleidbaarheid is van een dergelijk sterk gedoteerd substraat.
Het verschil tussen Rth,WSe2 en Rth,Si is de som van de thermische weerstand van 2 nm dik SiO100 en de thermische grensweerstand (TBR) van het WSe2/SiO2-grensvlak.
Als we alle bovenstaande aspecten samenvoegen, kunnen we vaststellen dat Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, en Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Daarom uit de grafiek 3a het is mogelijk om de TBR-waarde voor elk van de WSe2/SiO2-, MoS2/WSe2- en Gr/MoS2-interfaces te extraheren.
Vervolgens vergeleken de wetenschappers de totale thermische weerstand van alle heterostructuren, gemeten met behulp van Raman-spectroscopie en thermische microscopie (3b).
Dubbellaagse en drielaagse heterostructuren op SiO2 vertoonden een effectieve thermische weerstand in het bereik van 220 tot 280 m2 K/GW bij kamertemperatuur, wat equivalent is aan de thermische weerstand van SiO2 met een dikte van 290 tot 360 nm. Ondanks het feit dat de dikte van de onderzochte heterostructuren niet groter is dan 2 nm (1d-1f), bedraagt hun thermische geleidbaarheid 0.007-0.009 W m−1 K−1 bij kamertemperatuur.
Afbeelding #4
Afbeelding 4 toont de metingen van alle vier de structuren en de thermische grensgeleiding (TBC) van hun grensvlakken, waardoor we de mate van invloed van elke laag op de eerder gemeten thermische weerstand (TBC = 1 / TBR) kunnen evalueren.
De onderzoekers merken op dat dit de allereerste TBC-meting is voor atomair nauwe grensvlakken tussen afzonderlijke monolagen (2D/2D), met name tussen WSe2- en SiO2-monolagen.
De TBC van een monolaag WSe2/SiO2-interface is lager dan die van een meerlaags WSe2/SiO2-interface, wat niet verrassend is omdat de monolaag aanzienlijk minder buigfononmodi beschikbaar heeft voor transmissie. Simpel gezegd is de TBC van het grensvlak tussen 2D-lagen lager dan de TBC van het grensvlak tussen de 2D-laag en het 3D SiO2-substraat (4b).
Voor een meer gedetailleerde kennismaking met de nuances van de studie raad ik aan om naar te kijken и naar hem.
epiloog
Dit onderzoek levert ons, zoals de wetenschappers zelf beweren, kennis op die kan worden toegepast bij de implementatie van atomaire thermische grensvlakken. Dit werk toonde de mogelijkheid aan om warmte-isolerende metamaterialen te creëren waarvan de eigenschappen niet in de natuur voorkomen. Bovendien bevestigde de studie ook de mogelijkheid om nauwkeurige temperatuurmetingen van dergelijke structuren uit te voeren, ondanks de atomaire schaal van de lagen.
De hierboven beschreven heterostructuren kunnen de basis worden voor ultralichte en compacte thermische ‘schilden’, die bijvoorbeeld in staat zijn warmte te verwijderen uit hotspots in de elektronica. Bovendien kan deze technologie worden gebruikt in thermo-elektrische generatoren of thermisch geregelde apparaten, waardoor hun prestaties worden verbeterd.
Deze studie bevestigt eens te meer dat de moderne wetenschap serieus geïnteresseerd is in het principe van ‘efficiëntie in een vingerhoed’, wat geen dom idee kan worden genoemd, gezien de beperkte hulpbronnen van de planeet en de voortdurende groei van de vraag naar allerlei technologische innovaties.
Bedankt voor je aandacht, blijf nieuwsgierig en een fijne week allemaal! 🙂
Bedankt dat je bij ons bent gebleven. Vind je onze artikelen leuk? Wil je meer interessante inhoud zien? Steun ons door een bestelling te plaatsen of door vrienden aan te bevelen, 30% korting voor Habr-gebruikers op een unieke analoog van instapservers, die door ons voor u is uitgevonden: (beschikbaar met RAID1 en RAID10, tot 24 cores en tot 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 keer goedkoper? Alleen hier in Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - vanaf $99! Lees over
Bron: www.habr.com