Mulți jucători din întreaga lume care au experimentat era Xbox 360 sunt foarte familiarizați cu situația în care consola lor s-a transformat într-o tigaie pe care puteau prăji ouă. O situație tristă similară apare nu numai cu consolele de jocuri, ci și cu telefoanele, laptopurile, tabletele și multe altele. În principiu, aproape orice dispozitiv electronic poate suferi șoc termic, care poate duce nu numai la defecțiunea și supărarea proprietarului său, ci și la „boom-ul prost” al bateriei și rănirea gravă. Astăzi ne vom familiariza cu un studiu în care oamenii de știință de la Universitatea Stanford, precum Nick Fury de la benzi desenate, au creat un scut care protejează piesele electronice sensibile la căldură de supraîncălzire și, ca urmare, previne defectarea acestora. Cum au reușit oamenii de știință să creeze un scut termic, care sunt componentele sale principale și cât de eficient este? Aflăm despre acest lucru și multe altele din raportul grupului de cercetare. Merge.
Baza cercetării
Problema supraîncălzirii este cunoscută de foarte mult timp, iar oamenii de știință o rezolvă într-o varietate de moduri. Unele dintre cele mai populare sunt utilizarea sticlei, a plasticului și chiar a straturilor de aer, care servesc ca un fel de izolatori ai radiațiilor termice. În realitățile moderne, această metodă poate fi îmbunătățită prin reducerea grosimii stratului protector la mai mulți atomi fără a-și pierde proprietățile de izolare termică. Exact asta au făcut cercetătorii.
Vorbim, desigur, despre nanomateriale. Cu toate acestea, utilizarea lor în izolarea termică a fost anterior complicată de faptul că lungimea de undă a lichidelor de răcire (fononi*) este semnificativ mai scurtă decât cea a electronilor sau fotonilor.
telefon* - o cvasiparticulă, care este un cuantum al mișcării vibraționale a atomilor de cristal.
În plus, din cauza naturii bosonice a fononilor, este imposibil să le controlezi prin tensiune (cum se face cu purtătorii de sarcină), ceea ce în general face dificilă controlul transferului de căldură în solide.
Anterior, proprietățile termice ale solidelor, așa cum ne reamintesc cercetătorii, erau controlate prin filme și superrețele nanolaminate din cauza dezordinelor structurale și a interfețelor de înaltă densitate, sau prin nanofire de siliciu și germaniu din cauza împrăștierii puternice a fononilor.
O serie de metode de izolare termică descrise mai sus, oamenii de știință sunt pregătiți cu încredere să atribuie materiale bidimensionale, a căror grosime nu depășește mai mulți atomi, ceea ce le face ușor de controlat la scară atomică. În studiul lor au folosit van der Waals (vdW) ansamblu de straturi 2D subțiri atomic pentru a obține o rezistență termică foarte mare în întreaga heterostructură a acestora.
Forțele Van der Waals* — forțe de interacțiune intermoleculară/interatomică cu o energie de 10-20 kJ/mol.
Noua tehnică a făcut posibilă obținerea rezistenței termice într-o heterostructură vdW de 2 nm grosime comparabilă cu cea dintr-un strat de SiO2 (dioxid de siliciu) de 300 nm grosime.
În plus, utilizarea heterostructurilor vdW a făcut posibilă obținerea controlului asupra proprietăților termice la nivel atomic prin stratificarea monostraturilor 2D eterogene cu diferite densități de masă atomică și moduri de vibrație.
Deci, să nu tragem de mustăți pisicii și să începem să luăm în considerare rezultatele acestei cercetări uimitoare.
Rezultatele studiului
În primul rând, să ne familiarizăm cu caracteristicile microstructurale și optice ale heterostructurilor vdW utilizate în acest studiu.
Imaginea #1
Pe imagine 1a prezintă o diagramă în secțiune transversală a unei heterostructuri cu patru straturi constând din (de sus în jos): grafen (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 și un substrat SiO2/Si. Pentru a scana toate straturile simultan, utilizați Laser Raman* cu o lungime de undă de 532 nm.
Laser Raman* - un tip de laser în care mecanismul principal de amplificare a luminii este împrăștierea Raman.
împrăștiere Raman, la rândul său, este împrăștierea inelastică a radiației optice pe moleculele unei substanțe, care este însoțită de o schimbare semnificativă a frecvenței radiației.
Au fost utilizate mai multe metode pentru a confirma omogenitatea microstructurală, termică și electrică a heterostructurilor: microscopia electronică cu transmisie de scanare (STEM), spectroscopie de fotoluminiscență (PL), microscopie cu sondă Kelvin (KPM), microscopie termică de scanare (SThM), precum și spectroscopie Raman și termometrie.
Изображение 1b ne arată spectrul Raman al unei heterostructuri Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 pe un substrat SiO2/Si în locația marcată cu un punct roșu. Acest grafic arată semnătura fiecărui monostrat din matricea de straturi, precum și semnătura substratului Si.
Pe 1c-1f Sunt afișate imagini STEM în câmp întunecat ale heterostructurii Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 (1s) și heterostructuri Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) cu orientări diferite ale rețelei. Imaginile STEM arată goluri vdW strânse atomic, fără nicio contaminare, permițând ca grosimea totală a acestor heterostructuri să fie pe deplin vizibilă. Prezența cuplării interstraturilor a fost, de asemenea, confirmată pe suprafețe mari de scanare utilizând spectroscopie de fotoluminescență (PL) (1g). Semnalul fotoluminiscent al straturilor individuale din interiorul heterostructurii este suprimat semnificativ în comparație cu semnalul unui monostrat izolat. Acest lucru se explică prin procesul de transfer al sarcinii interstrat datorită interacțiunii strânse dintre strat, care devine și mai puternic după recoacere.
Imaginea #2
Pentru a măsura fluxul de căldură perpendicular pe planurile atomice ale heterostructurii, șirul de straturi a fost structurat sub forma unor dispozitive electrice cu patru sonde. Stratul superior de grafen intră în contact cu electrozii de paladiu (Pd) și este folosit ca încălzitor pentru măsurătorile termometriei Raman.
Această metodă de încălzire electrică oferă o cuantificare precisă a puterii de intrare. O altă posibilă metodă de încălzire, optică, ar fi mai dificil de implementat din cauza necunoașterii coeficienților de absorbție ai straturilor individuale.
Pe 2a arată un circuit de măsurare cu patru sonde și 2b arată o vedere de sus a structurii testate. Programa 2s arată caracteristicile măsurate de transfer de căldură pentru trei dispozitive, unul care conține numai grafen și două care conțin matrice de straturi Gr/WSe22 și Gr/MoSe2/WSe22. Toate variantele demonstrează un comportament ambipolar al grafenului, care este asociat cu absența unei benzi interzise.
S-a constatat, de asemenea, că conducția curentului și încălzirea au loc în stratul superior (grafen), deoarece conductivitatea sa electrică este cu câteva ordine de mărime mai mare decât cea a MoS2 și WSe22.
Pentru a demonstra omogenitatea dispozitivelor testate, măsurătorile au fost efectuate folosind microscopia cu sondă Kelvin (KPM) și microscopia termică cu scanare (SThM). Pe diagramă 2d Măsurătorile KPM sunt afișate dezvăluind distribuția liniară a potențialului. Rezultatele analizei SThM sunt prezentate în 2e. Aici vedem o hartă a canalelor Gr/MoS2/WSe22 încălzite electric, precum și prezența uniformității în încălzirea suprafeței.
Tehnicile de scanare descrise mai sus, în special SThM, au confirmat omogenitatea structurii studiate, adică omogenitatea acesteia, din punct de vedere al temperaturilor. Următorul pas a fost cuantificarea temperaturii fiecărui strat constitutiv folosind spectroscopie Raman (adică spectroscopie Raman).
Toate cele trei dispozitive au fost testate, fiecare având o suprafață de ~40 µm2. În acest caz, puterea încălzitorului s-a schimbat cu 9 mW, iar puterea laser absorbită a fost sub ~ 5 μW, cu o zonă a spotului laser de ~ 0.5 μm2.
Imaginea #3
Pe diagramă 3a o creștere a temperaturii (∆T) a fiecărui strat și substrat este vizibilă pe măsură ce crește puterea încălzitorului în heterostructura Gr/MoS2/WSe22.
Pantele funcției liniare pentru fiecare material (strat) indică rezistența termică (Rth=∆T/P) dintre stratul individual și radiatorul. Având în vedere distribuția uniformă a încălzirii pe zonă, rezistențele termice pot fi analizate cu ușurință de la stratul de jos până la cel superior, timp în care valorile lor sunt normalizate de zona canalului (WL).
L și W sunt lungimea și lățimea canalului, care sunt semnificativ mai mari decât grosimea substratului de SiO2 și lungimea de încălzire termică laterală, care este de ~ 0.1 μm.
Prin urmare, putem deriva formula pentru rezistența termică a substratului Si, care va arăta astfel:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
In aceasta situatie kSi ≈ 90 W m−1 K−1, care este conductivitatea termică așteptată a unui astfel de substrat puternic dopat.
Diferența dintre Rth,WSe2 și Rth,Si este suma rezistenței termice a SiO2 de 100 nm grosime și rezistența la limită termică (TBR) a interfeței WSe2/SiO2.
Punând împreună toate aspectele de mai sus, putem stabili că Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2 și Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Prin urmare, din grafic 3a este posibil să se extragă valoarea TBR pentru fiecare dintre interfețele WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 și Gr/MoS2.
În continuare, oamenii de știință au comparat rezistența termică totală a tuturor heterostructurilor, măsurată folosind spectroscopie Raman și microscopie termică (3b).
Heterostructurile bistrat și tristrat pe SiO2 au prezentat rezistență termică efectivă în intervalul de 220 până la 280 m2 K/GW la temperatura camerei, ceea ce este echivalent cu rezistența termică a SiO2 cu o grosime de 290 până la 360 nm. În ciuda faptului că grosimea heterostructurilor studiate nu depășește 2 nm (1d-1f), conductivitatea lor termică este de 0.007-0.009 W m−1 K−1 la temperatura camerei.
Imaginea #4
Imaginea 4 prezintă măsurătorile tuturor celor patru structuri și conductivitatea la limită termică (TBC) a interfețelor acestora, ceea ce ne permite să evaluăm gradul de influență a fiecărui strat asupra rezistenței termice măsurate anterior (TBC = 1 / TBR).
Cercetătorii observă că aceasta este prima măsurătoare TBC pentru interfețe apropiate atomic între monostraturi separate (2D/2D), în special între monostraturile WSe2 și SiO2.
TBC-ul unei interfețe monostrat WSe2/SiO2 este mai mic decât cel al unei interfețe multistrat WSe2/SiO2, ceea ce nu este surprinzător, deoarece monostratul are semnificativ mai puține moduri de îndoire fonon disponibile pentru transmisie. Mai simplu spus, TBC-ul interfeței dintre straturile 2D este mai mic decât TBC-ul interfeței dintre stratul 2D și substratul 3D SiO2 (4b).
Pentru o cunoaștere mai detaliată a nuanțelor studiului, vă recomand să vă uitați la и către el.
Epilog
Această cercetare, așa cum susțin oamenii de știință înșiși, ne oferă cunoștințe care pot fi aplicate în implementarea interfețelor termice atomice. Această lucrare a arătat posibilitatea creării de metamateriale termoizolante ale căror proprietăți nu se găsesc în natură. În plus, studiul a confirmat și posibilitatea de a efectua măsurători precise de temperatură a unor astfel de structuri, în ciuda scarii atomice a straturilor.
Heterostructurile descrise mai sus pot deveni baza pentru „scuturi” termice ultra-ușoare și compacte, capabile, de exemplu, să elimine căldura din punctele fierbinți din electronice. In plus, aceasta tehnologie poate fi folosita in generatoare termoelectrice sau dispozitive controlate termic, crescand performantele acestora.
Acest studiu confirmă încă o dată că știința modernă este serios interesată de principiul „eficienței într-un degetar”, care nu poate fi numit o idee stupidă, având în vedere resursele limitate ale planetei și creșterea continuă a cererii pentru tot felul de inovații tehnologice.
Mulțumesc pentru citit, rămâneți curioși și o săptămână minunată băieți! 🙂
Vă mulțumim că ați rămas cu noi. Vă plac articolele noastre? Vrei să vezi mai mult conținut interesant? Susține-ne plasând o comandă sau recomandând prietenilor, Reducere de 30% pentru utilizatorii Habr la un analog unic de servere entry-level, care a fost inventat de noi pentru tine: (disponibil cu RAID1 și RAID10, până la 24 de nuclee și până la 40 GB DDR4).
Dell R730xd de 2 ori mai ieftin? Numai aici in Olanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - de la 99 USD! Citește despre
Sursa: www.habr.com