Muitos jogadores ao redor do mundo que vivenciaram a era do Xbox 360 estão bem familiarizados com a situação em que seu console se transformou em uma frigideira na qual podiam fritar ovos. Uma triste situação semelhante ocorre não apenas com consoles de jogos, mas também com telefones, laptops, tablets e muito mais. Em princípio, quase qualquer dispositivo eletrônico pode sofrer choque térmico, o que pode levar não apenas à sua falha e à perturbação de seu proprietário, mas também ao “boom ruim” da bateria e a ferimentos graves. Hoje conheceremos um estudo em que cientistas da Universidade de Stanford, como Nick Fury dos quadrinhos, criaram um escudo que protege peças eletrônicas sensíveis ao calor do superaquecimento e, como resultado, evita sua quebra. Como os cientistas conseguiram criar um escudo térmico, quais são seus principais componentes e qual a sua eficácia? Aprendemos sobre isso e muito mais no relatório do grupo de pesquisa. Ir.
Base do estudo
O problema do superaquecimento é conhecido há muito tempo e os cientistas o resolvem de várias maneiras. Algumas das mais populares são a utilização de vidro, plástico e até camadas de ar, que servem como uma espécie de isolantes da radiação térmica. Na realidade moderna, este método pode ser melhorado reduzindo a espessura da camada protetora para vários átomos sem perder suas propriedades de isolamento térmico. Foi exatamente isso que os pesquisadores fizeram.
Estamos, obviamente, a falar de nanomateriais. No entanto, a sua utilização no isolamento térmico era anteriormente complicada pelo facto de o comprimento de onda dos refrigerantes (fônons*) é significativamente mais curto que o dos elétrons ou fótons.
Fônon* - uma quasipartícula, que é um quantum do movimento vibracional dos átomos do cristal.
Além disso, devido à natureza bosônica dos fônons, é impossível controlá-los por tensão (como é feito com os portadores de carga), o que geralmente dificulta o controle da transferência de calor em sólidos.
Anteriormente, as propriedades térmicas dos sólidos, como nos lembram os pesquisadores, eram controladas através de filmes nanolaminados e superredes devido à desordem estrutural e interfaces de alta densidade, ou através de nanofios de silício e germânio devido à forte dispersão de fônons.
Para vários métodos de isolamento térmico descritos acima, os cientistas estão confiantemente prontos para atribuir materiais bidimensionais, cuja espessura não excede vários átomos, o que os torna fáceis de controlar em escala atômica. Em seu estudo eles usaram van der Waals (vdW) montagem de camadas 2D atomicamente finas para obter resistência térmica muito alta em toda a sua heteroestrutura.
Forças de Van der Waals* — forças de interação intermolecular/interatômica com energia de 10-20 kJ/mol.
A nova técnica permitiu obter resistência térmica em uma heteroestrutura vdW com espessura de 2 nm, comparável à de uma camada de SiO2 (dióxido de silício) com espessura de 300 nm.
Além disso, o uso de heteroestruturas vdW tornou possível obter controle sobre as propriedades térmicas em nível atômico através da estratificação de monocamadas XNUMXD heterogêneas com diferentes densidades de massa atômica e modos vibracionais.
Então, não vamos puxar os bigodes do gato e vamos começar a considerar os resultados desta pesquisa incrível.
Resultados do estudo
Em primeiro lugar, vamos conhecer as características microestruturais e ópticas das heteroestruturas vdW utilizadas neste estudo.
Imagem nº 1
na imagem 1a mostra um diagrama de seção transversal de uma heteroestrutura de quatro camadas consistindo (de cima para baixo): grafeno (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 e um substrato SiO2/Si. Para digitalizar todas as camadas simultaneamente, use Laser Raman* com comprimento de onda de 532 nm.
Laser Raman* - um tipo de laser em que o principal mecanismo de amplificação da luz é o espalhamento Raman.
Dispersão Raman, por sua vez, é o espalhamento inelástico da radiação óptica nas moléculas de uma substância, que é acompanhado por uma mudança significativa na frequência da radiação.
Vários métodos foram utilizados para confirmar a homogeneidade microestrutural, térmica e elétrica de heteroestruturas: microscopia eletrônica de transmissão de varredura (STEM), espectroscopia de fotoluminescência (PL), microscopia de sonda Kelvin (KPM), microscopia térmica de varredura (SThM), bem como espectroscopia Raman e termometria.
imagem 1b nos mostra o espectro Raman de uma heteroestrutura Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 em um substrato SiO2/Si no local marcado com um ponto vermelho. Este gráfico mostra a assinatura de cada monocamada na matriz de camadas, bem como a assinatura do substrato de Si.
На 1c-1f Imagens STEM de campo escuro da heteroestrutura Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 são mostradas (1c) e heteroestruturas Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) com diferentes orientações de rede. As imagens STEM mostram lacunas vdW atomicamente próximas sem qualquer contaminação, permitindo que a espessura geral dessas heteroestruturas seja totalmente visível. A presença de acoplamento intercamadas também foi confirmada em grandes áreas de varredura usando espectroscopia de fotoluminescência (PL) (1g). O sinal fotoluminescente de camadas individuais dentro da heteroestrutura é significativamente suprimido em comparação com o sinal de uma monocamada isolada. Isto é explicado pelo processo de transferência de carga entre camadas devido à estreita interação entre camadas, que se torna ainda mais forte após o recozimento.
Imagem nº 2
Para medir o fluxo de calor perpendicular aos planos atômicos da heteroestrutura, o conjunto de camadas foi estruturado na forma de dispositivos elétricos de quatro sondas. A camada superior de grafeno entra em contato com eletrodos de paládio (Pd) e é usada como aquecedor para medições de termometria Raman.
Este método de aquecimento elétrico fornece quantificação precisa da potência de entrada. Outro possível método de aquecimento, óptico, seria mais difícil de implementar devido ao desconhecimento dos coeficientes de absorção das camadas individuais.
На 2a mostra um circuito de medição de quatro pontas de prova e 2b mostra uma vista superior da estrutura que está sendo testada. Agendar 2c mostra características medidas de transferência de calor para três dispositivos, um contendo apenas grafeno e dois contendo matrizes de camadas Gr/WSe22 e Gr/MoSe2/WSe22. Todas as variantes demonstram comportamento ambipolar do grafeno, que está associado à ausência de band gap.
Verificou-se também que a condução e o aquecimento de corrente ocorrem na camada superior (grafeno), uma vez que sua condutividade elétrica é várias ordens de grandeza superior à do MoS2 e WSe22.
Para demonstrar a homogeneidade dos dispositivos testados, as medições foram feitas utilizando microscopia de sonda Kelvin (KPM) e microscopia térmica de varredura (SThM). No gráfico 2d As medições KPM são exibidas revelando a distribuição de potencial linear. Os resultados da análise SThM são mostrados em 2e. Aqui vemos um mapa de canais Gr/MoS2/WSe22 aquecidos eletricamente, bem como a presença de uniformidade no aquecimento superficial.
As técnicas de varrimento acima descritas, em particular SThM, confirmaram a homogeneidade da estrutura em estudo, ou seja, a sua homogeneidade, em termos de temperaturas. O próximo passo foi quantificar a temperatura de cada uma das camadas constituintes usando espectroscopia Raman (isto é, espectroscopia Raman).
Todos os três dispositivos foram testados, cada um com uma área de ~40 µm2. Neste caso, a potência do aquecedor mudou em 9 mW e a potência do laser absorvida ficou abaixo de ~5 μW com uma área de ponto de laser de ~0.5 μm2.
Imagem nº 3
No gráfico 3a um aumento na temperatura (∆T) de cada camada e substrato é visível à medida que a potência do aquecedor na heteroestrutura Gr/MoS2/WSe22 aumenta.
As inclinações da função linear para cada material (camada) indicam a resistência térmica (Rth=∆T/P) entre a camada individual e o dissipador de calor. Dada a distribuição uniforme do aquecimento pela área, as resistências térmicas podem ser facilmente analisadas da camada inferior para a superior, durante as quais seus valores são normalizados pela área do canal (WL).
L e W são o comprimento e a largura do canal, que são significativamente maiores que a espessura do substrato de SiO2 e o comprimento de aquecimento térmico lateral, que é de ~0.1 μm.
Portanto, podemos derivar a fórmula para a resistência térmica do substrato de Si, que ficará assim:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
Nesta situação kSi ≈ 90 W m−1 K−1, que é a condutividade térmica esperada de um substrato tão altamente dopado.
A diferença entre Rth, WSe2 e Rth, Si é a soma da resistência térmica do SiO2 com 100 nm de espessura e a resistência de limite térmico (TBR) da interface WSe2/SiO2.
Somando todos os aspectos acima, podemos estabelecer que Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, e Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Portanto, a partir do gráfico 3a é possível extrair o valor TBR para cada uma das interfaces WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 e Gr/MoS2.
Em seguida, os cientistas compararam a resistência térmica total de todas as heteroestruturas, medida por espectroscopia Raman e microscopia térmica (3b).
Heteroestruturas bicamadas e tricamadas em SiO2 exibiram resistência térmica efetiva na faixa de 220 a 280 m2 K/GW à temperatura ambiente, o que equivale à resistência térmica do SiO2 com espessura de 290 a 360 nm. Apesar de a espessura das heteroestruturas em estudo não ultrapassar 2 nm (1d-1f), sua condutividade térmica é 0.007-0.009 W m−1 K−1 à temperatura ambiente.
Imagem nº 4
A imagem 4 mostra as medições de todas as quatro estruturas e a condutividade de limite térmico (TBC) de suas interfaces, o que permite avaliar o grau de influência de cada camada na resistência térmica previamente medida (TBC = 1 / TBR).
Os pesquisadores observam que esta é a primeira medição de TBC para interfaces atomicamente próximas entre monocamadas separadas (2D/2D), especificamente entre monocamadas WSe2 e SiO2.
O TBC de uma interface WSe2/SiO2 monocamada é menor do que o de uma interface WSe2/SiO2 multicamada, o que não é surpreendente, uma vez que a monocamada tem significativamente menos modos de fônons de flexão disponíveis para transmissão. Simplificando, o TBC da interface entre as camadas 2D é menor que o TBC da interface entre a camada 2D e o substrato 3D de SiO2 (4b).
Para uma compreensão mais detalhada das nuances do estudo, recomendo dar uma olhada em и para ele.
Epílogo
Esta investigação, como afirmam os próprios cientistas, dá-nos conhecimentos que podem ser aplicados na implementação de interfaces térmicas atómicas. Este trabalho mostrou a possibilidade de criação de metamateriais isolantes térmicos cujas propriedades não são encontradas na natureza. Além disso, o estudo também confirmou a possibilidade de realizar medições precisas de temperatura dessas estruturas, apesar da escala atômica das camadas.
As heteroestruturas descritas acima podem se tornar a base para “escudos” térmicos ultraleves e compactos, capazes, por exemplo, de remover calor de pontos quentes na eletrônica. Além disso, esta tecnologia pode ser utilizada em geradores termoelétricos ou dispositivos controlados termicamente, aumentando seu desempenho.
Este estudo confirma mais uma vez que a ciência moderna está seriamente interessada no princípio da “eficiência no dedal”, o que não pode ser considerado uma ideia estúpida, dados os recursos limitados do planeta e o crescimento contínuo da procura de todo o tipo de inovações tecnológicas.
Obrigado pela leitura, fiquem curiosos e tenham uma ótima semana pessoal! 🙂
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Fonte: habr.com