Mange spillere rundt om i verden som opplevde Xbox 360-tiden er godt kjent med situasjonen da konsollen deres ble til en stekepanne som de kunne steke egg på. En lignende trist situasjon oppstår ikke bare med spillkonsoller, men også med telefoner, bærbare datamaskiner, nettbrett og mye mer. I prinsippet kan nesten enhver elektronisk enhet oppleve termisk sjokk, noe som ikke bare kan føre til svikt og opprørt av eieren, men også til den "dårlige boomen" av batteriet og alvorlig skade. I dag skal vi bli kjent med en studie der forskere fra Stanford University, som Nick Fury fra tegneseriene, har laget et skjold som beskytter varmefølsomme elektroniske deler mot overoppheting og som et resultat forhindrer deres sammenbrudd. Hvordan klarte forskere å lage et termisk skjold, hva er hovedkomponentene og hvor effektivt er det? Vi lærer om dette og mer fra rapporten fra forskergruppen. Gå.
Grunnlaget for studien
Problemet med overoppheting har vært kjent i svært lang tid, og forskere løser det på en rekke måter. Noen av de mest populære er bruken av glass, plast og til og med luftlag, som fungerer som en slags isolatorer for termisk stråling. I moderne virkeligheter kan denne metoden forbedres ved å redusere tykkelsen på det beskyttende laget til flere atomer uten å miste sine varmeisolasjonsegenskaper. Det var akkurat det forskerne gjorde.
Vi snakker selvfølgelig om nanomaterialer. Imidlertid var bruken deres i termisk isolasjon tidligere komplisert av det faktum at bølgelengden til kjølevæsker (fononer*) er betydelig kortere enn elektroner eller fotoner.
Phonon* - en kvasipartikkel, som er et kvantum av vibrasjonsbevegelsen til krystallatomer.
I tillegg, på grunn av fononers bosoniske natur, er det umulig å kontrollere dem med spenning (som det gjøres med ladningsbærere), noe som generelt gjør det vanskelig å kontrollere varmeoverføring i faste stoffer.
Tidligere ble de termiske egenskapene til faste stoffer, som forskere minner oss om, kontrollert gjennom nanolaminatfilmer og supergitter på grunn av strukturelle forstyrrelser og grensesnitt med høy tetthet, eller gjennom silisium og germanium nanotråder på grunn av sterk fononspredning.
Til en rekke av de termiske isolasjonsmetodene beskrevet ovenfor, er forskere klare til å tilskrive todimensjonale materialer, hvis tykkelse ikke overstiger flere atomer, noe som gjør dem enkle å kontrollere i atomskala. I studien deres brukte de van der Waals (vdW) montering av atomtynne 2D-lag for å oppnå svært høy termisk motstand gjennom hele deres heterostruktur.
Van der Waals styrker* — intermolekylære/interatomiske interaksjonskrefter med en energi på 10-20 kJ/mol.
Den nye teknikken gjorde det mulig å oppnå termisk motstand i en vdW-heterostruktur med en tykkelse på 2 nm, sammenlignbar med den i et lag av SiO2 (silisiumdioksid) med en tykkelse på 300 nm.
I tillegg har bruken av vdW-heterostrukturer gjort det mulig å få kontroll over termiske egenskaper på atomnivå gjennom lagdeling av heterogene XNUMXD-monolag med forskjellige atommassetettheter og vibrasjonsmoduser.
Så la oss ikke trekke i kattens værhår og la oss begynne å vurdere resultatene av denne fantastiske forskningen.
Forskningsresultater
Først av alt, la oss bli kjent med de mikrostrukturelle og optiske egenskapene til vdW-heterostrukturene som brukes i denne studien.
Bilde #1
På bildet 1a viser et tverrsnittsdiagram av en firelags heterostruktur bestående av (fra topp til bunn): grafen (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 og et SiO2/Si-substrat. For å skanne alle lag samtidig, bruk Raman laser* med en bølgelengde på 532 nm.
Raman laser* - en type laser der hovedmekanismen for lysforsterkning er Raman-spredning.
Raman-spredning, på sin side, er den uelastiske spredningen av optisk stråling på molekylene til et stoff, som er ledsaget av en betydelig endring i frekvensen av strålingen.
Flere metoder ble brukt for å bekrefte den mikrostrukturelle, termiske og elektriske homogeniteten til heterostrukturer: skanningstransmisjonselektronmikroskopi (STEM), fotoluminescensspektroskopi (PL), Kelvin probemikroskopi (KPM), skanningstermisk mikroskopi (SThM), samt Ramanspektroskopi og termometri .
bilde 1b viser oss Raman-spekteret til en Gr/MoSe2/MoS2/WSe22-heterostruktur på et SiO2/Si-substrat på stedet merket med en rød prikk. Dette plottet viser signaturen til hvert monolag i lagarrayet, så vel som signaturen til Si-substratet.
På 1c-1f mørkfelt STEM-bilder av Gr/MoSe2/MoS2/WSe22-heterostrukturen er vist (1s) og Gr/MoS2/WSe22 heterostrukturer (1d-1f) med forskjellige gitterorienteringer. STEM-bilder viser atomisk tette vdW-gap uten forurensning, slik at den totale tykkelsen på disse heterostrukturene er fullt synlig. Tilstedeværelsen av mellomlagskobling ble også bekreftet over store skanningsområder ved bruk av fotoluminescens (PL) spektroskopi (1g). Det fotoluminescerende signalet til individuelle lag inne i heterostrukturen er betydelig undertrykt sammenlignet med signalet til et isolert monolag. Dette forklares av prosessen med ladningsoverføring mellom lag på grunn av nær interlag mellom lag, som blir enda sterkere etter utglødning.
Bilde #2
For å måle varmestrømmen vinkelrett på atomplanene til heterostrukturen, ble utvalget av lag strukturert i form av fire-sonde elektriske enheter. Det øverste laget av grafen kommer i kontakt med palladium (Pd) elektroder og brukes som varmeapparat for Raman termometrimålinger.
Denne elektriske oppvarmingsmetoden gir nøyaktig kvantifisering av inngangseffekt. En annen mulig oppvarmingsmetode, optisk, ville være vanskeligere å implementere på grunn av uvitenhet om absorpsjonskoeffisientene til individuelle lag.
På 2a viser en fire-probes målekrets, og 2b viser en toppvisning av strukturen som testes. Rute 2s viser målte varmeoverføringskarakteristikk for tre enheter, en som bare inneholder grafen og to som inneholder Gr/WSe22 og Gr/MoSe2/WSe22 lagmatriser. Alle varianter viser ambipolar oppførsel av grafen, som er assosiert med fravær av et båndgap.
Det ble også funnet at strømledning og oppvarming forekommer i det øvre laget (grafen), siden dets elektriske ledningsevne er flere størrelsesordener høyere enn MoS2 og WSe22.
For å demonstrere homogeniteten til de testede enhetene, ble målinger tatt ved bruk av Kelvin-probemikroskopi (KPM) og skanningstermisk mikroskopi (SThM). På diagrammet 2d KPM-målinger vises og avslører den lineære potensialfordelingen. Resultatene av SThM-analysen vises i 2-tallet. Her ser vi et kart over elektrisk oppvarmede Gr/MoS2/WSe22-kanaler, samt tilstedeværelsen av jevnhet i overflateoppvarming.
Skanningsteknikkene beskrevet ovenfor, spesielt SThM, bekreftet homogeniteten til strukturen som studeres, det vil si dens homogenitet, når det gjelder temperaturer. Det neste trinnet var å kvantifisere temperaturen til hvert av de inngående lagene ved å bruke Raman-spektroskopi (dvs. Raman-spektroskopi).
Alle tre enhetene ble testet, hver med et areal på ~40 µm2. I dette tilfellet endret varmeeffekten seg med 9 mW, og den absorberte lasereffekten var under ~5 μW med et laserpunktareal på ~0.5 μm2.
Bilde #3
På diagrammet 3a en økning i temperatur (∆T) for hvert lag og substrat er synlig når varmeeffekten i Gr/MoS2/WSe22-heterostrukturen øker.
Helningene til den lineære funksjonen for hvert materiale (lag) indikerer den termiske motstanden (Rth=∆T/P) mellom det enkelte lag og kjøleribben. Gitt den jevne fordelingen av oppvarming over området, kan termiske motstander enkelt analyseres fra bunnen til topplaget, hvor verdiene deres normaliseres av kanalområdet (WL).
L og W er kanallengden og -bredden, som er betydelig større enn tykkelsen på SiO2-substratet og den laterale termiske oppvarmingslengden, som er ~0.1 μm.
Derfor kan vi utlede formelen for den termiske motstanden til Si-substratet, som vil se slik ut:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
I denne situasjonen kSi ≈ 90 W m−1 K−1, som er den forventede varmeledningsevnen til et slikt høyt dopet substrat.
Forskjellen mellom Rth,WSe2 og Rth,Si er summen av den termiske motstanden på 2 nm tykk SiO100 og den termiske grensemotstanden (TBR) til WSe2/SiO2-grensesnittet.
Ved å sette alle de ovennevnte aspektene sammen, kan vi fastslå at Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, og Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Derfor, fra grafen 3a det er mulig å trekke ut TBR-verdien for hvert av WSe2/SiO2-, MoS2/WSe2- og Gr/MoS2-grensesnittene.
Deretter sammenlignet forskerne den totale termiske motstanden til alle heterostrukturer, målt ved hjelp av Raman-spektroskopi og termisk mikroskopi (3b).
Tolags- og trelags heterostrukturer på SiO2 viste effektiv termisk motstand i området 220 til 280 m2 K/GW ved romtemperatur, som tilsvarer den termiske motstanden til SiO2 med en tykkelse på 290 til 360 nm. Til tross for at tykkelsen på heterostrukturene som studeres ikke overstiger 2 nm (1d-1f), deres varmeledningsevne er 0.007-0.009 W m−1 K−1 ved romtemperatur.
Bilde #4
Bilde 4 viser målingene av alle fire strukturer og den termiske grensekonduktiviteten (TBC) til deres grensesnitt, noe som lar oss evaluere graden av påvirkning av hvert lag på den tidligere målte termiske motstanden (TBC = 1 / TBR).
Forskerne bemerker at dette er den første TBC-målingen noensinne for atomisk nære grensesnitt mellom separate monolag (2D/2D), spesielt mellom WSe2 og SiO2 monolag.
TBC-en til et enkeltlags WSe2/SiO2-grensesnitt er lavere enn for et flerlags WSe2/SiO2-grensesnitt, noe som ikke er overraskende siden monolaget har betydelig færre bøyende fononmoduser tilgjengelig for overføring. Enkelt sagt er TBC for grensesnittet mellom 2D-lag lavere enn TBC for grensesnittet mellom 2D-laget og 3D SiO2-substratet (4b).
For en mer detaljert forståelse av nyansene i studien anbefaler jeg å ta en titt på и til ham.
Epilog
Denne forskningen, som forskerne selv hevder, gir oss kunnskap som kan brukes i implementeringen av atomære termiske grensesnitt. Dette arbeidet viste muligheten for å lage varmeisolerende metamaterialer hvis egenskaper ikke finnes i naturen. I tillegg bekreftet studien også muligheten for å utføre nøyaktige temperaturmålinger av slike strukturer, til tross for lagenes atomskala.
Heterostrukturene beskrevet ovenfor kan bli grunnlaget for ultralette og kompakte termiske "skjold", som for eksempel er i stand til å fjerne varme fra varme punkter i elektronikk. I tillegg kan denne teknologien brukes i termoelektriske generatorer eller termisk kontrollerte enheter, noe som øker ytelsen.
Denne studien bekrefter nok en gang at moderne vitenskap er seriøst interessert i prinsippet om "effektivitet i et fingerbøl", som ikke kan kalles en dum idé, gitt de begrensede ressursene til planeten og den kontinuerlige veksten i etterspørselen etter alle slags teknologiske innovasjoner.
Takk for at du leser, vær nysgjerrig og ha en flott uke folkens! 🙂
Takk for at du bor hos oss. Liker du artiklene våre? Vil du se mer interessant innhold? Støtt oss ved å legge inn en bestilling eller anbefale til venner, 30 % rabatt for Habr-brukere på en unik analog av inngangsnivåservere, som ble oppfunnet av oss for deg: (tilgjengelig med RAID1 og RAID10, opptil 24 kjerner og opptil 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 ganger billigere? Bare her i Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra $99! Lese om
Kilde: www.habr.com