Mnogi igralci po vsem svetu, ki so izkusili dobo Xbox 360, dobro poznajo situacijo, ko se je njihova konzola spremenila v ponev, na kateri so lahko pekli jajca. Podobna žalostna situacija se pojavlja ne le pri igralnih konzolah, ampak tudi pri telefonih, prenosnih računalnikih, tablicah in še veliko več. Načeloma lahko skoraj vsaka elektronska naprava doživi toplotni šok, ki lahko privede ne le do njene okvare in razburjenja lastnika, temveč tudi do "slabega buma" baterije in resnih poškodb. Danes se bomo seznanili s študijo, v kateri so znanstveniki z Univerze Stanford, kot Nick Fury iz stripov, ustvarili ščit, ki ščiti toplotno občutljive elektronske dele pred pregrevanjem in posledično preprečuje njihovo okvaro. Kako je znanstvenikom uspelo ustvariti toplotni ščit, katere so njegove glavne komponente in kako učinkovit je? O tem in še več izvemo iz poročila raziskovalne skupine. pojdi
Raziskovalna osnova
Problem pregrevanja je znan že zelo dolgo in znanstveniki ga rešujejo na različne načine. Med najbolj priljubljenimi so uporaba stekla, plastike in celo zračnih plasti, ki služijo kot nekakšni izolatorji toplotnega sevanja. V sodobni realnosti je to metodo mogoče izboljšati z zmanjšanjem debeline zaščitne plasti na več atomov, ne da bi pri tem izgubili svoje toplotnoizolacijske lastnosti. Točno to so storili raziskovalci.
Govorimo seveda o nanomaterialih. Vendar je bila njihova uporaba v toplotni izolaciji prej zapletena zaradi dejstva, da valovna dolžina hladilnih tekočin (fononi*) je bistveno krajši od elektronov ali fotonov.
fonon* - kvazidelec, ki je kvant vibracijskega gibanja kristalnih atomov.
Poleg tega je zaradi bozonske narave fononov nemogoče nadzorovati z napetostjo (kot je storjeno z nosilci naboja), kar na splošno oteži nadzor prenosa toplote v trdnih snoveh.
Prej so bile toplotne lastnosti trdnih snovi, kot nas spominjajo raziskovalci, nadzorovane z nanolaminatnimi filmi in supermrežami zaradi strukturne motnje in vmesnikov visoke gostote ali s pomočjo silicijevih in germanijevih nanožic zaradi močnega sipanja fononov.
Številnim zgoraj opisanim metodam toplotne izolacije so znanstveniki samozavestno pripravljeni pripisati dvodimenzionalne materiale, katerih debelina ne presega več atomov, zaradi česar jih je enostavno nadzorovati v atomskem merilu. V svoji študiji so uporabili van der Waals (vdW) sestavljanje atomsko tankih 2D plasti za doseganje zelo visoke toplotne odpornosti v celotni njihovi heterostrukturi.
Van der Waalsove sile* — medmolekulske/medatomske interakcijske sile z energijo 10–20 kJ/mol.
Nova tehnika je omogočila pridobitev toplotne odpornosti v heterostrukturi vdW z debelino 2 nm, primerljivo s tisto v plasti SiO2 (silicijevega dioksida) z debelino 300 nm.
Poleg tega je uporaba heterostruktur vdW omogočila pridobitev nadzora nad toplotnimi lastnostmi na atomski ravni s plastenje heterogenih XNUMXD monoslojev z različnimi gostotami atomske mase in načini nihanja.
Torej, ne pulimo mačke za brke in začnimo razmišljati o rezultatih te neverjetne raziskave.
Rezultati raziskav
Najprej se seznanimo z mikrostrukturnimi in optičnimi značilnostmi heterostruktur vdW, uporabljenih v tej študiji.
Slika #1
Na sliki 1 prikazuje diagram prečnega prereza štirislojne heterostrukture, ki jo sestavljajo (od zgoraj navzdol): grafen (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 in substrat SiO2/Si. Če želite skenirati vse plasti hkrati, uporabite Ramanov laser* z valovno dolžino 532 nm.
Ramanov laser* - vrsta laserja, pri katerem je glavni mehanizem ojačanja svetlobe Ramanovo sipanje.
Ramansko sipanje, pa je neelastično sipanje optičnega sevanja na molekulah snovi, ki ga spremlja znatna sprememba frekvence sevanja.
Za potrditev mikrostrukturne, toplotne in električne homogenosti heterostruktur je bilo uporabljenih več metod: vrstična transmisijska elektronska mikroskopija (STEM), fotoluminiscenčna spektroskopija (PL), mikroskopija s Kelvinovo sondo (KPM), vrstična termična mikroskopija (SThM), pa tudi Ramanova spektroskopija in termometrija .
Изображение 1b nam prikazuje Ramanov spekter heterostrukture Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 na substratu SiO2/Si na mestu, označenem z rdečo piko. Ta graf prikazuje podpis vsakega monosloja v nizu plasti, kot tudi podpis substrata Si.
Na 1c -1f prikazane so temnopoljske STEM slike heterostrukture Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 (1s) in heterostrukture Gr/MoS2/WSe22 (1d -1f) z različnimi usmeritvami rešetke. Slike STEM prikazujejo atomsko tesne vrzeli vdW brez kakršne koli kontaminacije, kar omogoča, da je celotna debelina teh heterostruktur popolnoma vidna. Prisotnost vmesne sklopke je bila potrjena tudi na velikih območjih skeniranja z uporabo fotoluminiscenčne (PL) spektroskopije (1g). Fotoluminiscenčni signal posameznih plasti znotraj heterostrukture je v primerjavi s signalom izoliranega monosloja bistveno potlačen. To je razloženo s procesom medplastnega prenosa naboja zaradi tesne medplastne interakcije, ki postane po žarjenju še močnejša.
Slika #2
Da bi izmerili toplotni tok pravokotno na atomske ravnine heterostrukture, je bil niz plasti strukturiran v obliki električnih naprav s štirimi sondami. Zgornja plast grafena je v stiku z elektrodami iz paladija (Pd) in se uporablja kot grelec za meritve Ramanove termometrije.
Ta metoda električnega ogrevanja zagotavlja natančno kvantifikacijo vhodne moči. Drugi možni način segrevanja, optični, bi bil težje izvedljiv zaradi nepoznavanja absorpcijskih koeficientov posameznih plasti.
Na 2 prikazuje merilno vezje s štirimi sondami in 2b prikazuje pogled od zgoraj na testirano strukturo. Urnik 2s prikazuje izmerjene značilnosti prenosa toplote za tri naprave, od katerih ena vsebuje samo grafen, dve pa vsebujeta niza plasti Gr/WSe22 in Gr/MoSe2/WSe22. Vse različice kažejo ambipolarno obnašanje grafena, ki je povezano z odsotnostjo pasovne vrzeli.
Ugotovljeno je bilo tudi, da se v zgornjem sloju (grafenu) pojavlja prevajanje toka in segrevanje, saj je njegova električna prevodnost za nekaj velikostnih redov višja kot pri MoS2 in WSe22.
Da bi dokazali homogenost testiranih naprav, so bile meritve opravljene z mikroskopijo Kelvinove sonde (KPM) in vrstično termično mikroskopijo (SThM). Na grafikonu 2d Prikazane so meritve KPM, ki razkrivajo linearno porazdelitev potenciala. Rezultati analize SThM so prikazani v 2e. Tukaj vidimo zemljevid električno ogrevanih Gr/MoS2/WSe22 kanalov, kot tudi prisotnost enakomernosti pri površinskem ogrevanju.
Zgoraj opisane tehnike skeniranja, zlasti SThM, so potrdile homogenost proučevane strukture, to je njeno homogenost glede na temperature. Naslednji korak je bil kvantificirati temperaturo vsake od sestavnih plasti z uporabo Ramanove spektroskopije (tj. Ramanove spektroskopije).
Testirane so bile vse tri naprave, vsaka s površino ~40 µm2. V tem primeru se je moč grelnika spremenila za 9 mW, absorbirana laserska moč pa je bila pod ~ 5 μW s površino laserske točke ~ 0.5 μm2.
Slika #3
Na grafikonu 3 povečanje temperature (∆T) vsake plasti in substrata je vidno, ko se moč grelca v heterostrukturi Gr/MoS2/WSe22 poveča.
Nakloni linearne funkcije za vsak material (plast) označujejo toplotni upor (Rth=∆T/P) med posameznim slojem in hladilnim odvodom. Glede na enakomerno porazdelitev ogrevanja po območju je mogoče toplotne upore enostavno analizirati od spodnje do zgornje plasti, pri čemer se njihove vrednosti normalizirajo s površino kanala (WL).
L in W sta dolžina in širina kanala, ki sta bistveno večji od debeline substrata SiO2 in dolžine stranskega toplotnega ogrevanja, ki je ~ 0.1 μm.
Zato lahko izpeljemo formulo za toplotno upornost Si substrata, ki bo izgledala takole:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
V tej situaciji kSi ≈ 90 W m−1 K−1, kar je pričakovana toplotna prevodnost tako močno dopiranega substrata.
Razlika med Rth,WSe2 in Rth,Si je vsota toplotnega upora 2 nm debelega SiO100 in toplotnega mejnega upora (TBR) vmesnika WSe2/SiO2.
Če združimo vse zgornje vidike, lahko ugotovimo, da je Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2 in Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Zato iz grafa 3 mogoče je izluščiti vrednost TBR za vsakega od vmesnikov WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 in Gr/MoS2.
Nato so znanstveniki primerjali celotno toplotno odpornost vseh heterostruktur, izmerjeno z ramansko spektroskopijo in toplotno mikroskopijo (3b).
Dvoslojne in trislojne heterostrukture na SiO2 so pokazale efektivno toplotno odpornost v območju od 220 do 280 m2 K/GW pri sobni temperaturi, kar je enako toplotni odpornosti SiO2 debeline od 290 do 360 nm. Kljub dejstvu, da debelina proučevanih heterostruktur ne presega 2 nm (1d -1f), njihova toplotna prevodnost je 0.007-0.009 W m−1 K−1 pri sobni temperaturi.
Slika #4
Na sliki 4 so prikazane meritve vseh štirih struktur in toplotne mejne prevodnosti (TBC) njihovih vmesnikov, kar nam omogoča, da ocenimo stopnjo vpliva posamezne plasti na predhodno izmerjeno toplotno upornost (TBC = 1 / TBR).
Raziskovalci ugotavljajo, da je to sploh prva meritev TBC za atomsko tesne vmesnike med ločenimi monosloji (2D/2D), posebej med monoslojema WSe2 in SiO2.
TBC enoslojnega vmesnika WSe2/SiO2 je nižji kot pri večplastnem vmesniku WSe2/SiO2, kar ni presenetljivo, saj ima enoslojni bistveno manj upogibnih fononskih načinov, ki so na voljo za prenos. Preprosto povedano, TBC vmesnika med 2D plastmi je nižji od TBC vmesnika med 2D plastjo in 3D substratom SiO2 (4b).
Za podrobnejšo seznanitev z odtenki študije priporočam ogled и njemu.
Epilog
Ta raziskava nam, kot trdijo sami znanstveniki, daje znanje, ki ga lahko uporabimo pri izvedbi atomskih toplotnih vmesnikov. To delo je pokazalo možnost ustvarjanja toplotnoizolacijskih metamaterialov, katerih lastnosti ne najdemo v naravi. Poleg tega je študija potrdila tudi možnost izvajanja natančnih temperaturnih meritev takih struktur, kljub atomskemu merilu plasti.
Zgoraj opisane heterostrukture lahko postanejo osnova za ultra-lahke in kompaktne toplotne "ščite", ki lahko na primer odvajajo toploto iz vročih točk v elektroniki. Poleg tega se lahko ta tehnologija uporablja v termoelektričnih generatorjih ali termično nadzorovanih napravah, kar poveča njihovo učinkovitost.
Ta študija še enkrat potrjuje, da se sodobna znanost resno zanima za načelo "učinkovitosti v naprstku", ki ga glede na omejene vire planeta in nenehno rast povpraševanja po vseh vrstah tehnoloških inovacij ne moremo imenovati neumna ideja.
Hvala za branje, ostanite radovedni in lep teden, fantje! 🙂
Hvala, ker ste ostali z nami. So vam všeč naši članki? Želite videti več zanimivih vsebin? Podprite nas tako, da oddate naročilo ali priporočite prijateljem, 30% popust za uporabnike Habr na edinstvenem analogu začetnih strežnikov, ki smo ga izumili za vas: (na voljo z RAID1 in RAID10, do 24 jeder in do 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2-krat cenejši? Samo tukaj na Nizozemskem! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - od 99 $! Preberite o
Vir: www.habr.com