Mnohí hráči po celom svete, ktorí zažili éru Xbox 360, veľmi dobre poznajú situáciu, keď sa ich konzola zmenila na panvicu, na ktorej si mohli vyprážať vajíčka. Podobná smutná situácia nastáva nielen pri herných konzolách, ale aj pri telefónoch, notebookoch, tabletoch a mnohých ďalších. V zásade takmer každé elektronické zariadenie môže zažiť tepelný šok, ktorý môže viesť nielen k jeho poruche a rozrušeniu jeho majiteľa, ale aj k „zlému rozmachu“ batérie a vážnemu zraneniu. Dnes sa zoznámime so štúdiou, v ktorej vedci zo Stanfordskej univerzity, podobne ako Nick Fury z komiksov, vytvorili štít, ktorý chráni elektronické súčiastky citlivé na teplo pred prehriatím a v dôsledku toho zabraňuje ich rozpadu. Ako sa vedcom podarilo vytvoriť tepelný štít, aké sú jeho hlavné komponenty a nakoľko je účinný? To a ešte viac sa dozvedáme zo správy výskumnej skupiny. Choď.
Výskumný základ
Problém prehrievania je známy už veľmi dlho a vedci ho riešia rôznymi spôsobmi. Medzi najobľúbenejšie patrí použitie skla, plastu a dokonca aj vrstiev vzduchu, ktoré slúžia ako druh izolátorov tepelného žiarenia. V modernej realite je možné túto metódu vylepšiť zmenšením hrúbky ochrannej vrstvy na niekoľko atómov bez straty tepelnoizolačných vlastností. Presne to vedci urobili.
Hovoríme samozrejme o nanomateriáloch. Ich použitie v tepelnej izolácii však bolo predtým komplikované skutočnosťou, že vlnová dĺžka chladív (fonóny*) je výrazne kratší ako u elektrónov alebo fotónov.
fonón* - kvázičastica, ktorá je kvantom vibračného pohybu atómov kryštálov.
Okrem toho, kvôli bosonickej povahe fonónov, nie je možné ich ovládať napätím (ako sa to robí s nosičmi náboja), čo vo všeobecnosti sťažuje riadenie prenosu tepla v pevných látkach.
Predtým boli tepelné vlastnosti pevných látok, ako nám vedci pripomínajú, kontrolované prostredníctvom nanolaminátových filmov a supermriežok v dôsledku štrukturálnych porúch a rozhraní s vysokou hustotou alebo prostredníctvom kremíkových a germánskych nanodrôtov v dôsledku silného rozptylu fonónov.
K množstvu vyššie opísaných metód tepelnej izolácie sú vedci s istotou pripravení pripísať dvojrozmerné materiály, ktorých hrúbka nepresahuje niekoľko atómov, čo uľahčuje ich ovládanie v atómovom meradle. Vo svojej štúdii použili van der Waals (vdW) montáž atómovo tenkých 2D vrstiev na dosiahnutie veľmi vysokého tepelného odporu v celej ich heteroštruktúre.
Van der Waalsove sily* — intermolekulárne/medziatómové interakčné sily s energiou 10-20 kJ/mol.
Nová technika umožnila získať tepelný odpor v 2 nm hrubej vdW heteroštruktúre porovnateľný s tepelnou odolnosťou v 2 nm hrubej vrstve SiO300 (oxid kremičitý).
Okrem toho použitie heteroštruktúr vdW umožnilo získať kontrolu nad tepelnými vlastnosťami na atómovej úrovni prostredníctvom vrstvenia heterogénnych XNUMXD monovrstiev s rôznymi hustotami atómovej hmotnosti a vibračnými režimami.
Neťahajme mačku za fúzy a začnime uvažovať o výsledkoch tohto úžasného výskumu.
Výsledky štúdie
Najprv sa zoznámime s mikroštrukturálnymi a optickými charakteristikami heteroštruktúr vdW použitých v tejto štúdii.
Obrázok č. 1
Na obrázku 1 ukazuje prierezový diagram štvorvrstvovej heteroštruktúry pozostávajúcej z (zhora nadol): grafénu (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 a substrátu Si2/Si. Ak chcete skenovať všetky vrstvy súčasne, použite Ramanov laser* s vlnovou dĺžkou 532 nm.
Ramanov laser* - druh laseru, v ktorom je hlavným mechanizmom zosilnenia svetla Ramanov rozptyl.
Ramanov rozptyl, je zasa nepružný rozptyl optického žiarenia na molekulách látky, ktorý je sprevádzaný výraznou zmenou frekvencie žiarenia.
Na potvrdenie mikroštruktúrnej, tepelnej a elektrickej homogenity heteroštruktúr bolo použitých niekoľko metód: skenovacia transmisná elektrónová mikroskopia (STEM), fotoluminiscenčná spektroskopia (PL), Kelvinova sondová mikroskopia (KPM), skenovacia termálna mikroskopia (SThM), ako aj Ramanova spektroskopia a termometria .
Изображение 1b ukazuje nám Ramanovo spektrum heteroštruktúry Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 na substráte SiO2/Si v mieste označenom červenou bodkou. Tento graf ukazuje podpis každej monovrstvy v poli vrstiev, ako aj podpis Si substrátu.
Na 1c-1f Sú zobrazené STEM snímky heteroštruktúry Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 v tmavom poli (1s) a heteroštruktúry Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) s rôznou orientáciou mriežky. Obrázky STEM ukazujú atómovo blízke vdW medzery bez akejkoľvek kontaminácie, čo umožňuje, aby bola celková hrúbka týchto heteroštruktúr plne viditeľná. Prítomnosť medzivrstvovej väzby bola potvrdená aj na veľkých skenovacích plochách pomocou fotoluminiscenčnej (PL) spektroskopie (1g). Fotoluminiscenčný signál jednotlivých vrstiev vo vnútri heteroštruktúry je výrazne potlačený v porovnaní so signálom izolovanej monovrstvy. Vysvetľuje sa to procesom prenosu medzivrstvového náboja v dôsledku úzkej interakcie medzi vrstvami, ktorá sa po žíhaní stáva ešte silnejšou.
Obrázok č. 2
Na meranie tepelného toku kolmo na atómové roviny heteroštruktúry bolo pole vrstiev štruktúrované vo forme elektrických zariadení so štyrmi sondami. Vrchná vrstva grafénu je v kontakte s paládiovými (Pd) elektródami a používa sa ako ohrievač na merania Ramanovej termometrie.
Táto metóda elektrického ohrevu poskytuje presnú kvantifikáciu príkonu. Ďalší možný spôsob ohrevu, optický, by bol ťažšie realizovateľný z dôvodu neznalosti absorpčných koeficientov jednotlivých vrstiev.
Na 2 znázorňuje merací obvod so štyrmi sondami a 2b ukazuje pohľad zhora na testovanú štruktúru. Rozvrh 2s ukazuje namerané charakteristiky prenosu tepla pre tri zariadenia, z ktorých jedno obsahuje iba grafén a dve obsahujú polia vrstiev Gr/WSe22 a Gr/MoSe2/WSe22. Všetky varianty demonštrujú ambipolárne správanie grafénu, ktoré je spojené s absenciou zakázaného pásma.
Zistilo sa tiež, že vedenie prúdu a zahrievanie sa vyskytujú v hornej vrstve (grafén), pretože jej elektrická vodivosť je o niekoľko rádov vyššia ako u MoS2 a WSe22.
Na preukázanie homogenity testovaných zariadení sa uskutočnili merania pomocou Kelvinovej sondovej mikroskopie (KPM) a skenovacej termálnej mikroskopie (SThM). Na grafe 2d Zobrazia sa merania KPM odhaľujúce lineárne rozloženie potenciálu. Výsledky analýzy SThM sú uvedené v 2е. Tu vidíme mapu elektricky vyhrievaných kanálov Gr/MoS2/WSe22, ako aj prítomnosť rovnomernosti povrchového vykurovania.
Vyššie opísané skenovacie techniky, najmä SThM, potvrdili homogenitu skúmanej štruktúry, teda jej homogenitu, pokiaľ ide o teploty. Ďalším krokom bolo kvantifikovať teplotu každej zo základných vrstiev pomocou Ramanovej spektroskopie (t.j. Ramanovej spektroskopie).
Testovali sa všetky tri zariadenia, každé s plochou ~40 µm2. V tomto prípade sa výkon ohrievača zmenil o 9 mW a absorbovaný výkon lasera bol pod ~ 5 μW s plochou laserového bodu ~ 0.5, 2 μmXNUMX.
Obrázok č. 3
Na grafe 3 zvýšenie teploty (∆T) každej vrstvy a substrátu je viditeľné, keď sa výkon ohrievača v heteroštruktúre Gr/MoS2/WSe22 zvyšuje.
Sklony lineárnej funkcie pre každý materiál (vrstvu) udávajú tepelný odpor (Rth=∆T/P) medzi jednotlivou vrstvou a chladičom. Vzhľadom na rovnomerné rozloženie ohrevu po ploche je možné tepelné odpory ľahko analyzovať od spodnej k hornej vrstve, pričom ich hodnoty sa normalizujú podľa plochy kanála (WL).
L a W sú dĺžka a šírka kanála, ktoré sú výrazne väčšie ako hrúbka substrátu Si2 a dĺžka laterálneho tepelného ohrevu, ktorá je ~ 0.1, XNUMX μm.
Preto môžeme odvodiť vzorec pre tepelný odpor Si substrátu, ktorý bude vyzerať takto:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
V tejto situácii kSi ≈ 90 W m−1 K−1, čo je očakávaná tepelná vodivosť takéhoto vysoko dopovaného substrátu.
Rozdiel medzi Rth,WSe2 a Rth,Si je súčtom tepelného odporu 2 nm hrubého SiO100 a tepelného hraničného odporu (TBR) rozhrania WSe2/SiO2.
Ak spojíme všetky vyššie uvedené aspekty, môžeme zistiť, že Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2 a Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Preto z grafu 3 je možné extrahovať hodnotu TBR pre každé z rozhraní WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 a Gr/MoS2.
Ďalej vedci porovnali celkový tepelný odpor všetkých heteroštruktúr, meraný pomocou Ramanovej spektroskopie a tepelnej mikroskopie (3b).
Dvojvrstvové a trojvrstvové heteroštruktúry na SiO2 vykazovali efektívny tepelný odpor v rozmedzí 220 až 280 m2 K/GW pri izbovej teplote, čo je ekvivalentné tepelnému odporu SiO2 s hrúbkou 290 až 360 nm. Napriek tomu, že hrúbka skúmaných heteroštruktúr nepresahuje 2 nm (1d-1f), ich tepelná vodivosť je 0.007-0.009 W m−1 K−1 pri izbovej teplote.
Obrázok č. 4
Obrázok 4 ukazuje merania všetkých štyroch konštrukcií a tepelnú hraničnú vodivosť (TBC) ich rozhraní, čo nám umožňuje vyhodnotiť mieru vplyvu každej vrstvy na predtým nameraný tepelný odpor (TBC = 1 / TBR).
Výskumníci poznamenávajú, že ide o vôbec prvé meranie TBC pre atómovo blízke rozhrania medzi samostatnými monovrstvami (2D / 2D), konkrétne medzi monovrstvami WSe2 a SiO2.
TBC jednovrstvového rozhrania WSe2/SiO2 je nižšie ako u viacvrstvového rozhrania WSe2/SiO2, čo nie je prekvapujúce, pretože monovrstva má výrazne menej ohybových fonónových režimov dostupných na prenos. Jednoducho povedané, TBC rozhrania medzi 2D vrstvami je nižšie ako TBC rozhrania medzi 2D vrstvou a 3D SiO2 substrátom (4b).
Pre podrobnejšie oboznámenie sa s nuansami štúdie odporúčam pozrieť и jemu.
Epilóg
Tento výskum, ako tvrdia samotní vedci, nám dáva poznatky, ktoré je možné aplikovať pri realizácii atómových tepelných rozhraní. Táto práca ukázala možnosť vytvorenia tepelne izolačných metamateriálov, ktorých vlastnosti sa v prírode nenachádzajú. Štúdia navyše potvrdila aj možnosť vykonávať presné merania teploty takýchto štruktúr, a to aj napriek atómovej mierke vrstiev.
Vyššie opísané heteroštruktúry sa môžu stať základom pre ultraľahké a kompaktné tepelné „štíty“, schopné napríklad odvádzať teplo z horúcich miest v elektronike. Okrem toho môže byť táto technológia použitá v termoelektrických generátoroch alebo tepelne riadených zariadeniach, čím sa zvyšuje ich výkon.
Táto štúdia opäť potvrdzuje, že moderná veda sa vážne zaujíma o princíp „efektívnosti v náprstku“, ktorý nemožno nazvať hlúpym nápadom vzhľadom na obmedzené zdroje planéty a neustály rast dopytu po všetkých druhoch technologických inovácií.
Ďakujem za pozornosť, buďte zvedaví a prajeme všetkým pekný týždeň! 🙂
Ďakujeme, že ste zostali s nami. Páčia sa vám naše články? Chcete vidieť viac zaujímavého obsahu? Podporte nás zadaním objednávky alebo odporučením priateľom, 30% zľava pre užívateľov Habr na unikátny analóg serverov základnej úrovne, ktorý sme pre vás vymysleli: (k dispozícii s RAID1 a RAID10, až 24 jadier a až 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 krát lacnejší? Len tu v Holandsku! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB – od 99 USD! Čítať o
Zdroj: hab.com