Shumë lojtarë në mbarë botën që përjetuan epokën Xbox 360 janë shumë të njohur me situatën kur tastiera e tyre u shndërrua në një tigan në të cilin mund të skuqnin vezë. Një situatë e ngjashme e trishtuar ndodh jo vetëm me konsolat e lojërave, por edhe me telefonat, laptopët, tabletët dhe shumë më tepër. Në parim, pothuajse çdo pajisje elektronike mund të pësojë goditje termike, e cila mund të çojë jo vetëm në dështimin e saj dhe mërzitjen e pronarit të saj, por edhe në "bumin e keq" të baterisë dhe dëmtim serioz. Sot do të njihemi me një studim në të cilin shkencëtarët nga Universiteti i Stanfordit, si Nick Fury nga komiket, kanë krijuar një mburojë që mbron pjesët elektronike të ndjeshme ndaj nxehtësisë nga mbinxehja dhe, si rezultat, parandalon prishjen e tyre. Si arritën shkencëtarët të krijonin një mburojë termike, cilët janë përbërësit kryesorë të saj dhe sa efektive është ajo? Për këtë dhe më shumë mësojmë nga raporti i grupit hulumtues. Shkoni.
Baza e studimit
Problemi i mbinxehjes është i njohur për një kohë shumë të gjatë dhe shkencëtarët e zgjidhin atë në mënyra të ndryshme. Disa nga më të njohurit janë përdorimi i qelqit, plastikës dhe madje edhe shtresave të ajrit, të cilat shërbejnë si një lloj izoluesi i rrezatimit termik. Në realitetet moderne, kjo metodë mund të përmirësohet duke zvogëluar trashësinë e shtresës mbrojtëse në disa atome pa humbur vetitë e saj të izolimit termik. Kjo është pikërisht ajo që bënë studiuesit.
Sigurisht, ne po flasim për nanomateriale. Sidoqoftë, përdorimi i tyre në izolimin termik ishte i ndërlikuar më parë nga fakti se gjatësia e valës së ftohësve (fonone*) është dukshëm më i shkurtër se ai i elektroneve ose fotoneve.
fonon* - një kuazigrimcë, e cila është një kuant i lëvizjes vibruese të atomeve të kristalit.
Përveç kësaj, për shkak të natyrës bosonike të fononeve, është e pamundur të kontrollohen ato me anë të tensionit (siç veprohet me transportuesit e ngarkesës), gjë që në përgjithësi e bën të vështirë kontrollimin e transferimit të nxehtësisë në trupat e ngurtë.
Më parë, vetitë termike të trupave të ngurtë, siç na kujtojnë studiuesit, kontrolloheshin përmes filmave nanolaminat dhe supergrilave për shkak të çrregullimeve strukturore dhe ndërfaqeve me densitet të lartë, ose përmes nanotelave të silikonit dhe germaniumit për shkak të shpërndarjes së fortë të fononit.
Një sërë metodash të izolimit termik të përshkruar më sipër, shkencëtarët janë të gatshëm t'i atribuojnë me siguri materialet dy-dimensionale, trashësia e të cilave nuk i kalon disa atome, gjë që i bën ato të lehta për t'u kontrolluar në një shkallë atomike. Në studimin e tyre ata përdorën van der Waals (vdW) montimi i shtresave atomike të holla 2D për të arritur rezistencë termike shumë të lartë në të gjithë heterostrukturën e tyre.
Forcat Van der Waals* — forcat e ndërveprimit ndërmolekular/ndëratomik me energji 10-20 kJ/mol.
Teknika e re bëri të mundur marrjen e rezistencës termike në një heterostrukturë vdW me trashësi 2 nm, e krahasueshme me atë në një shtresë SiO2 (dioksid silikoni) me trashësi 300 nm.
Për më tepër, përdorimi i heterostrukturave vdW ka bërë të mundur marrjen e kontrollit mbi vetitë termike në nivelin atomik përmes shtresimit të monoshtresave heterogjene XNUMXD me densitet të ndryshëm të masës atomike dhe mënyra vibrimi.
Pra, le të mos tërheqim mustaqet e maces dhe le të fillojmë të marrim parasysh rezultatet e këtij hulumtimi të mahnitshëm.
Rezultatet e studimit
Fillimisht, le të njihemi me karakteristikat mikrostrukturore dhe optike të heterostrukturave vdW të përdorura në këtë studim.
Imazhi numër 1
Në imazh 1a tregon një diagram të seksionit tërthor të një heterostrukture me katër shtresa të përbërë nga (nga lart poshtë): grafeni (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 dhe një substrat SiO2/Si. Për të skanuar të gjitha shtresat njëkohësisht, përdorni lazer Raman* me një gjatësi vale prej 532 nm.
lazer Raman* - një lloj lazeri në të cilin mekanizmi kryesor i amplifikimit të dritës është shpërndarja Raman.
Raman duke u shpërndarë, nga ana tjetër, është shpërndarja joelastike e rrezatimit optik në molekulat e një lënde, e cila shoqërohet me një ndryshim të rëndësishëm në frekuencën e rrezatimit.
Janë përdorur disa metoda për të konfirmuar homogjenitetin mikrostrukturor, termik dhe elektrik të heterostrukturave: mikroskopi elektronik i transmisionit skanues (STEM), spektroskopia e fotolumineshencës (PL), mikroskopi i sondës Kelvin (KPM), mikroskopi termik skanues (SThM), si dhe spektroskopia Raman dhe termometri .
Изображение 1b na tregon spektrin Raman të një heterostrukture Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 në një substrat SiO2/Si në vendin e shënuar me një pikë të kuqe. Kjo grafik tregon nënshkrimin e secilës një shtresë në grupin e shtresave, si dhe nënshkrimin e substratit Si.
Mbi 1c-1f Janë paraqitur imazhet STEM të fushës së errët të heterostrukturës Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 (Vitet 1) dhe heterostrukturat Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) me orientime të ndryshme të rrjetës. Imazhet STEM tregojnë boshllëqe të ngushta atomike vdW pa asnjë ndotje, duke lejuar që trashësia e përgjithshme e këtyre heterostrukturave të jetë plotësisht e dukshme. Prania e bashkimit të ndërshtresave u konfirmua gjithashtu në zona të mëdha skanimi duke përdorur spektroskopinë e fotolumineshencës (PL)1g). Sinjali fotolumineshent i shtresave individuale brenda heterostrukturës shtypet ndjeshëm në krahasim me sinjalin e një shtrese të vetme të izoluar. Kjo shpjegohet me procesin e transferimit të ngarkesës ndërshtresore për shkak të ndërveprimit të ngushtë ndërmjet shtresave, i cili bëhet edhe më i fortë pas pjekjes.
Imazhi numër 2
Për të matur rrjedhën e nxehtësisë pingul me rrafshet atomike të heterostrukturës, grupi i shtresave u strukturua në formën e pajisjeve elektrike me katër sonda. Shtresa e sipërme e grafenit kontakton elektrodat e paladiumit (Pd) dhe përdoret si ngrohës për matjet e termometrisë Raman.
Kjo metodë e ngrohjes elektrike siguron kuantifikimin e saktë të fuqisë hyrëse. Një tjetër metodë e mundshme e ngrohjes, optike, do të ishte më e vështirë për t'u zbatuar për shkak të mosnjohjes së koeficientëve të absorbimit të shtresave individuale.
Mbi 2a tregon një qark matës me katër sonda dhe 2b tregon një pamje të sipërme të strukturës që testohet. Orari Vitet 2 tregon karakteristikat e matura të transferimit të nxehtësisë për tre pajisje, një që përmban vetëm grafen dhe dy që përmbajnë grupe shtresash Gr/WSe22 dhe Gr/MoSe2/WSe22. Të gjitha variantet demonstrojnë sjellje ambipolare të grafenit, e cila shoqërohet me mungesën e një hendeku brezi.
U zbulua gjithashtu se përçueshmëria dhe ngrohja e rrymës ndodhin në shtresën e sipërme (grafen), pasi përçueshmëria e saj elektrike është disa renditje të madhësisë më e lartë se ajo e MoS2 dhe WSe22.
Për të demonstruar homogjenitetin e pajisjeve të testuara, matjet u morën duke përdorur mikroskopin e sondës Kelvin (KPM) dhe mikroskopin termik skanues (SThM). Në tabelë 2d Matjet e KPM shfaqen duke zbuluar shpërndarjen lineare të potencialit. Rezultatet e analizës SThM tregohen në 2e. Këtu shohim një hartë të kanaleve Gr/MoS2/WSe22 me ngrohje elektrike, si dhe praninë e uniformitetit në ngrohjen e sipërfaqes.
Teknikat e skanimit të përshkruara më sipër, në veçanti SThM, konfirmuan homogjenitetin e strukturës në studim, domethënë homogjenitetin e saj, për sa i përket temperaturave. Hapi tjetër ishte përcaktimi sasior i temperaturës së secilës prej shtresave përbërëse duke përdorur spektroskopinë Raman (d.m.th., spektroskopinë Raman).
Të tre pajisjet u testuan, secila me një sipërfaqe prej ~ 40 µm2. Në këtë rast, fuqia e ngrohësit ndryshoi me 9 mW, dhe fuqia e lazerit e përthithur ishte nën ~ 5 μW me një sipërfaqe të pikës lazer prej ~ 0.5 μm2.
Imazhi numër 3
Në tabelë 3a një rritje e temperaturës (∆T) e çdo shtrese dhe nënshtrese është e dukshme ndërsa fuqia e ngrohësit në heterostrukturën Gr/MoS2/WSe22 rritet.
Pjerrësitë e funksionit linear për çdo material (shtresë) tregojnë rezistencën termike (Rth=∆T/P) ndërmjet shtresës individuale dhe ftohësit. Duke pasur parasysh shpërndarjen uniforme të ngrohjes në zonë, rezistencat termike mund të analizohen lehtësisht nga shtresa e poshtme në atë të sipërme, gjatë së cilës vlerat e tyre normalizohen nga zona e kanalit (WL).
L dhe W janë gjatësia dhe gjerësia e kanalit, të cilat janë dukshëm më të mëdha se trashësia e nënshtresës SiO2 dhe gjatësia anësore e ngrohjes termike, e cila është ~0.1 μm.
Prandaj, mund të nxjerrim formulën për rezistencën termike të substratit Si, e cila do të duket si kjo:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
Në këtë situatë kSi ≈ 90 W m−1 K−1, që është përçueshmëria termike e pritshme e një nënshtrese kaq të dopuar.
Dallimi midis Rth,WSe2 dhe Rth,Si është shuma e rezistencës termike të SiO2 me trashësi 100 nm dhe rezistencës kufitare termike (TBR) të ndërfaqes WSe2/SiO2.
Duke i bashkuar të gjitha aspektet e mësipërme, mund të përcaktojmë se Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2 dhe Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Prandaj, nga grafiku 3a është e mundur të nxirret vlera TBR për secilën nga ndërfaqet WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 dhe Gr/MoS2.
Më pas, shkencëtarët krahasuan rezistencën totale termike të të gjitha heterostrukturave, të matura duke përdorur spektroskopinë Raman dhe mikroskopinë termike (3b).
Heterostrukturat dyshtresore dhe treshtresore në SiO2 shfaqën rezistencë termike efektive në rangun prej 220 deri në 280 m2 K/GW në temperaturën e dhomës, e cila është e barabartë me rezistencën termike të SiO2 me një trashësi prej 290 deri në 360 nm. Pavarësisht se trashësia e heterostrukturave në studim nuk i kalon 2 nm (1d-1f), përçueshmëria e tyre termike është 0.007-0.009 W m−1 K−1 në temperaturën e dhomës.
Imazhi numër 4
Imazhi 4 tregon matjet e të katër strukturave dhe përçueshmërinë kufitare termike (TBC) të ndërfaqeve të tyre, gjë që na lejon të vlerësojmë shkallën e ndikimit të secilës shtresë në rezistencën termike të matur më parë (TBC = 1 / TBR).
Studiuesit vërejnë se kjo është matja e parë e TBC-së për ndërfaqet atomike të ngushta midis monoshtresave të veçanta (2D/2D), veçanërisht midis monoshtresave WSe2 dhe SiO2.
TBC-ja e një ndërfaqeje me një shtresë WSe2/SiO2 është më e ulët se ajo e një ndërfaqeje shumështresore WSe2/SiO2, gjë që nuk është befasuese pasi që monoshtresa ka shumë më pak mënyra fononi të përkuljes të disponueshme për transmetim. E thënë thjesht, TBC e ndërfaqes midis shtresave 2D është më e ulët se TBC e ndërfaqes midis shtresës 2D dhe substratit 3D SiO2 (4b).
Për një kuptim më të detajuar të nuancave të studimit, unë rekomandoj t'i hidhni një sy и atij
epilog
Ky hulumtim, siç pretendojnë edhe vetë shkencëtarët, na jep njohuri që mund të aplikohen në zbatimin e ndërfaqeve termike atomike. Kjo punë tregoi mundësinë e krijimit të metamaterialeve izolues të nxehtësisë, vetitë e të cilave nuk gjenden në natyrë. Përveç kësaj, studimi konfirmoi gjithashtu mundësinë e kryerjes së matjeve të sakta të temperaturës së strukturave të tilla, pavarësisht shkallës atomike të shtresave.
Heterostrukturat e përshkruara më sipër mund të bëhen baza për "mburoja" termike ultra të lehta dhe kompakte, të afta, për shembull, të largojnë nxehtësinë nga pikat e nxehta në elektronikë. Përveç kësaj, kjo teknologji mund të përdoret në gjeneratorë termoelektrikë ose pajisje të kontrolluara termikisht, duke rritur performancën e tyre.
Ky studim konfirmon edhe një herë se shkenca moderne është seriozisht e interesuar për parimin e "efikasitetit në një gisht", e cila nuk mund të quhet një ide e trashë, duke pasur parasysh burimet e kufizuara të planetit dhe rritjen e vazhdueshme të kërkesës për të gjitha llojet e inovacioneve teknologjike.
Faleminderit për leximin, qëndroni kurioz dhe ju uroj një javë të mbarë djema! 🙂
Faleminderit që qëndruat me ne. A ju pëlqejnë artikujt tanë? Dëshironi të shihni përmbajtje më interesante? Na mbështesni duke bërë një porosi ose duke rekomanduar miqve, 30% zbritje për përdoruesit e Habr në një analog unik të serverëve të nivelit të hyrjes, i cili u shpik nga ne për ju: (e disponueshme me RAID1 dhe RAID10, deri në 24 bërthama dhe deri në 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 herë më lirë? Vetëm këtu në Holandë! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - nga 99 dollarë! Lexoni rreth
Burimi: www.habr.com