Wielu graczy na całym świecie, którzy doświadczyli ery Xboxa 360, doskonale zna sytuację, gdy ich konsola zamieniła się w patelnię, na której można było smażyć jajka. Podobna smutna sytuacja ma miejsce nie tylko w przypadku konsol do gier, ale także telefonów, laptopów, tabletów i wielu innych. W zasadzie prawie każde urządzenie elektroniczne może doświadczyć szoku termicznego, który może prowadzić nie tylko do jego awarii i zdenerwowania jego właściciela, ale także do „złego wybuchu” akumulatora i poważnych obrażeń. Dziś poznamy badanie, w którym naukowcy z Uniwersytetu Stanforda, niczym Nick Fury z komiksów, stworzyli osłonę, która chroni wrażliwe na ciepło części elektroniczne przed przegrzaniem i w efekcie zapobiega ich awariom. Jak naukowcom udało się stworzyć osłonę termiczną, jakie są jej główne elementy i jaka jest skuteczna? O tym i nie tylko dowiadujemy się z raportu grupy badawczej. Iść.
Baza badawcza
Problem przegrzania jest znany od bardzo dawna, a naukowcy rozwiązują go na różne sposoby. Do najpopularniejszych należy wykorzystanie szkła, plastiku, a nawet warstw powietrza, które pełnią rolę swoistego izolatora promieniowania cieplnego. We współczesnych realiach metodę tę można ulepszyć, zmniejszając grubość warstwy ochronnej do kilku atomów, nie tracąc przy tym jej właściwości termoizolacyjnych. Dokładnie to zrobili naukowcy.
Mówimy oczywiście o nanomateriałach. Jednak ich zastosowanie w izolacji termicznej było wcześniej skomplikowane ze względu na fakt, że długość fali chłodziwa (fonony*) jest znacznie krótsza niż elektronów lub fotonów.
Phonon* - kwazicząstkę, która jest kwantem ruchu wibracyjnego atomów kryształu.
Ponadto ze względu na bozonowy charakter fononów nie można sterować nimi za pomocą napięcia (jak ma to miejsce w przypadku nośników ładunku), co generalnie utrudnia kontrolę wymiany ciepła w ciałach stałych.
Wcześniej, jak przypominają nam badacze, właściwości termiczne ciał stałych kontrolowano za pomocą nanolaminatów i supersieci ze względu na zaburzenia strukturalne i granice międzyfazowe o dużej gęstości lub za pomocą nanodrutów krzemowych i germanowych ze względu na silne rozpraszanie fononów.
Do szeregu opisanych powyżej metod izolacji termicznej naukowcy z pewnością są gotowi przypisać materiały dwuwymiarowe, których grubość nie przekracza kilku atomów, co ułatwia kontrolowanie ich w skali atomowej. W swoim badaniu wykorzystali van der Waalsa (vdW) składanie atomowo cienkich warstw 2D w celu uzyskania bardzo wysokiej odporności termicznej w całej ich heterostrukturze.
Siły Van der Waalsa* — siły oddziaływania międzycząsteczkowego/międzyatomowego o energii 10–20 kJ/mol.
Nowa technika umożliwiła uzyskanie oporu cieplnego w heterostrukturze vdW o grubości 2 nm porównywalnej z warstwą SiO2 (dwutlenku krzemu) o grubości 300 nm.
Ponadto zastosowanie heterostruktur vdW umożliwiło uzyskanie kontroli nad właściwościami termicznymi na poziomie atomowym poprzez nakładanie warstw heterogenicznych monowarstw XNUMXD o różnych gęstościach mas atomowych i modach wibracyjnych.
Nie ciągnijmy więc kota za wąsy i zacznijmy zastanawiać się nad wynikami tych niesamowitych badań.
Wyniki badania
W pierwszej kolejności zapoznajmy się z charakterystyką mikrostrukturalną i optyczną heterostruktur vdW wykorzystanych w tym badaniu.
Obraz nr 1
Na obrazie 1a przedstawia schemat przekroju poprzecznego czterowarstwowej heterostruktury składającej się (od góry do dołu): grafenu (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 i podłoża SiO2/Si. Aby skanować wszystkie warstwy jednocześnie, użyj Laser Ramana* o długości fali 532 nm.
Laser Ramana* - rodzaj lasera, w którym głównym mechanizmem wzmacniania światła jest rozpraszanie Ramana.
Rozpraszanie Ramanaz kolei jest nieelastycznym rozpraszaniem promieniowania optycznego na cząsteczkach substancji, któremu towarzyszy znacząca zmiana częstotliwości promieniowania.
Do potwierdzenia jednorodności mikrostrukturalnej, termicznej i elektrycznej heterostruktur zastosowano: skaningową transmisyjną mikroskopię elektronową (STEM), spektroskopię fotoluminescencyjną (PL), mikroskopię z sondą Kelvina (KPM), skaningową mikroskopię termiczną (SThM), a także spektroskopię Ramana i termometria.
Изображение 1b pokazuje nam widmo Ramana heterostruktury Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 na podłożu SiO2/Si w miejscu zaznaczonym czerwoną kropką. Ten wykres pokazuje sygnaturę każdej monowarstwy w układzie warstw, a także sygnaturę podłoża Si.
Na 1c-1f pokazane są obrazy STEM w ciemnym polu heterostruktury Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 (1s) i heterostruktury Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) z różnymi orientacjami sieci. Obrazy STEM pokazują atomowo bliskie szczeliny vdW bez żadnych zanieczyszczeń, dzięki czemu całkowita grubość tych heterostruktur jest w pełni widoczna. Obecność sprzężenia międzywarstwowego potwierdzono także na dużych obszarach skanowania za pomocą spektroskopii fotoluminescencyjnej (PL) (1g). Sygnał fotoluminescencyjny poszczególnych warstw wewnątrz heterostruktury jest znacznie tłumiony w porównaniu z sygnałem izolowanej monowarstwy. Wyjaśnia to proces przenoszenia ładunku międzywarstwowego w wyniku bliskiego oddziaływania międzywarstwowego, które po wyżarzaniu staje się jeszcze silniejsze.
Obraz nr 2
Aby zmierzyć przepływ ciepła prostopadle do płaszczyzn atomowych heterostruktury, układ warstw ustrukturyzowano w postaci czterosondowych urządzeń elektrycznych. Górna warstwa grafenu styka się z elektrodami palladowymi (Pd) i służy jako grzejnik do pomiarów termometrią ramanowską.
Ta metoda ogrzewania elektrycznego zapewnia precyzyjne określenie mocy wejściowej. Inna możliwa metoda ogrzewania, optyczna, byłaby trudniejsza w realizacji ze względu na nieznajomość współczynników absorpcji poszczególnych warstw.
Na 2a pokazuje czterosondowy obwód pomiarowy, oraz 2b przedstawia widok z góry badanej konstrukcji. Harmonogram 2s przedstawia zmierzoną charakterystykę wymiany ciepła dla trzech urządzeń, jednego zawierającego wyłącznie grafen i dwóch zawierających układy warstw Gr/WSe22 i Gr/MoSe2/WSe22. Wszystkie warianty wykazują ambipolarne zachowanie grafenu, które jest związane z brakiem pasma wzbronionego.
Stwierdzono również, że przewodzenie prądu i nagrzewanie zachodzą w górnej warstwie (grafenie), ponieważ jej przewodność elektryczna jest o kilka rzędów wielkości większa niż w przypadku MoS2 i WSe22.
W celu wykazania jednorodności badanych urządzeń przeprowadzono pomiary z wykorzystaniem mikroskopii z sondą Kelvina (KPM) i skaningowej mikroskopii termowizyjnej (SThM). Na wykresie 2d Wyświetlane są pomiary KPM, ukazując liniowy rozkład potencjału. Wyniki analizy SThM przedstawiono w 2е. Widzimy tutaj mapę nagrzewanych elektrycznie kanałów Gr/MoS2/WSe22, a także obecność równomierności ogrzewania powierzchniowego.
Opisane powyżej techniki skanowania, w szczególności SThM, potwierdziły jednorodność badanej struktury, czyli jej jednorodność pod względem temperatur. Następnym krokiem było ilościowe określenie temperatury każdej z warstw składowych za pomocą spektroskopii Ramana (tj. spektroskopii Ramana).
Przetestowano wszystkie trzy urządzenia, każde o powierzchni ~40 µm2. W tym przypadku moc grzejnika zmieniła się o 9 mW, a pochłonięta moc lasera była poniżej ~5 μW przy powierzchni plamki lasera ~0.5 μm2.
Obraz nr 3
Na wykresie 3a wraz ze wzrostem mocy grzejnika w heterostrukturze Gr/MoS2/WSe22 widoczny jest wzrost temperatury (∆T) każdej warstwy i podłoża.
Nachylenie funkcji liniowej dla każdego materiału (warstwy) wskazuje opór cieplny (Rth=∆T/P) pomiędzy pojedynczą warstwą a radiatorem. Biorąc pod uwagę równomierny rozkład ogrzewania na powierzchni, można łatwo analizować opory termiczne od warstwy dolnej do górnej, podczas której ich wartości normalizują się poprzez powierzchnię kanału (WL).
L i W to długość i szerokość kanału, które są znacznie większe niż grubość podłoża SiO2 i długość bocznego nagrzewania termicznego, która wynosi ~0.1 μm.
Możemy zatem wyprowadzić wzór na opór cieplny podłoża Si, który będzie wyglądał następująco:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
W tej sytuacji kSi ≈ 90 W m−1 K−1, co jest oczekiwaną przewodnością cieplną tak silnie domieszkowanego podłoża.
Różnica między Rth,WSe2 i Rth,Si jest sumą rezystancji termicznej SiO2 o grubości 100 nm i termicznej rezystancji granicznej (TBR) granicy faz WSe2/SiO2.
Łącząc wszystkie powyższe aspekty, możemy ustalić, że Rth,MoS2 – Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2 i Rth,Gr – Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Dlatego z wykresu 3a możliwe jest wyodrębnienie wartości TBR dla każdego z interfejsów WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 i Gr/MoS2.
Następnie naukowcy porównali całkowity opór cieplny wszystkich heterostruktur, zmierzony za pomocą spektroskopii Ramana i mikroskopii termicznej (3b).
Dwuwarstwowe i trójwarstwowe heterostruktury na SiO2 wykazywały efektywny opór cieplny w zakresie od 220 do 280 m2 K/GW w temperaturze pokojowej, co jest równoważne oporowi termicznemu SiO2 o grubości od 290 do 360 nm. Pomimo tego, że grubość badanych heterostruktur nie przekracza 2 nm (1d-1f), ich przewodność cieplna wynosi 0.007-0.009 W·m−1·K−1 w temperaturze pokojowej.
Obraz nr 4
Rysunek 4 przedstawia pomiary wszystkich czterech struktur oraz przewodność cieplną graniczną (TBC) ich powierzchni międzyfazowych, co pozwala ocenić stopień wpływu każdej warstwy na wcześniej zmierzony opór cieplny (TBC = 1 / TBR).
Naukowcy zauważają, że jest to pierwszy w historii pomiar TBC dla atomowo bliskich interfejsów między oddzielnymi monowarstwami (2D/2D), w szczególności między monowarstwami WSe2 i SiO2.
Wartość TBC jednowarstwowego interfejsu WSe2/SiO2 jest niższa niż wielowarstwowego interfejsu WSe2/SiO2, co nie jest zaskakujące, ponieważ monowarstwa ma znacznie mniej zginających się fononów dostępnych do transmisji. Mówiąc prościej, TBC granicy między warstwami 2D jest niższe niż TBC granicy między warstwą 2D a podłożem 3D SiO2 (4b).
Aby uzyskać bardziej szczegółową znajomość niuansów badania, polecam przyjrzeć się и do niego.
Epilog
Badania te, jak twierdzą sami naukowcy, dają nam wiedzę, którą można zastosować przy realizacji atomowych interfejsów termicznych. Praca ta pokazała możliwość stworzenia metamateriałów termoizolacyjnych, których właściwości nie występują w przyrodzie. Ponadto badania potwierdziły również możliwość przeprowadzenia precyzyjnych pomiarów temperatury takich struktur, pomimo skali atomowej warstw.
Opisane powyżej heterostruktury mogą stać się podstawą ultralekkich i kompaktowych „osłon termicznych”, zdolnych np. do odprowadzania ciepła z gorących punktów w elektronice. Ponadto technologię tę można zastosować w generatorach termoelektrycznych lub urządzeniach sterowanych termicznie, zwiększając ich wydajność.
Badanie to po raz kolejny potwierdza, że współczesna nauka jest poważnie zainteresowana zasadą „wydajności w naparstku”, której nie można nazwać głupim pomysłem, biorąc pod uwagę ograniczone zasoby planety i ciągły wzrost zapotrzebowania na wszelkiego rodzaju innowacje technologiczne.
Dziękuję za uwagę, bądźcie ciekawi i życzę wszystkim udanego tygodnia! 🙂
Dziękujemy za pobyt z nami. Podobają Ci się nasze artykuły? Chcesz zobaczyć więcej ciekawych treści? Wesprzyj nas składając zamówienie lub polecając znajomym, 30% zniżki dla użytkowników Habr na unikalny odpowiednik serwerów klasy podstawowej, który został przez nas wymyślony dla Ciebie: (dostępne z RAID1 i RAID10, do 24 rdzeni i do 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 razy tańszy? Tylko tutaj w Holandii! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB — od 99 USD! Czytać o
Źródło: www.habr.com