Многи гејмери широм света који су доживели Ксбок 360 еру веома су упознати са ситуацијом када се њихова конзола претворила у тигањ на коме су могли да прже јаја. Слична тужна ситуација се дешава не само са играћим конзолама, већ и са телефонима, лаптоповима, таблетима и још много тога. У принципу, скоро сваки електронски уређај може доживети термички шок, који може довести не само до његовог квара и узнемиравања власника, већ и до „лошег бума“ батерије и озбиљних повреда. Данас ћемо се упознати са студијом у којој су научници са Универзитета Станфорд, попут Ника Фјурија из стрипа, направили штит који штити електронске делове осетљиве на топлоту од прегревања и као резултат тога спречава њихов квар. Како су научници успели да створе топлотни штит, које су његове главне компоненте и колико је ефикасан? О овоме и више сазнајемо из извештаја истраживачке групе. Иди.
Основа истраживања
Проблем прегревања је познат одавно, а научници га решавају на различите начине. Неки од најпопуларнијих су употреба стакла, пластике, па чак и слојева ваздуха, који служе као својеврсни изолатори топлотног зрачења. У савременим реалностима, овај метод се може побољшати смањењем дебљине заштитног слоја на неколико атома без губитка топлотних изолационих својстава. То је управо оно што су истраживачи урадили.
Наравно, говоримо о наноматеријалима. Међутим, њихова употреба у топлотној изолацији је раније била компликована чињеницом да је таласна дужина расхладних течности (фонони*) је знатно краћи од електрона или фотона.
фонон* - квазичестица, која је квант вибрационог кретања кристалних атома.
Поред тога, због бозонске природе фонона, немогуће их је контролисати напоном (као што се ради са носачима наелектрисања), што генерално отежава контролу преноса топлоте у чврстим материјама.
Раније су термичка својства чврстих материја, како нас подсећају истраживачи, контролисана преко наноламинатних филмова и суперрешетка због структурног поремећаја и интерфејса високе густине, или преко силицијумских и германијумских наножица због јаког расејања фонона.
Бројним горе описаним методама топлотне изолације, научници су са сигурношћу спремни да припишу дводимензионалне материјале чија дебљина не прелази неколико атома, што их чини лаким за контролу на атомској скали. У својој студији користили су ван дер Валса (вдВ) склапање атомски танких 2Д слојева да би се постигла веома висока топлотна отпорност у целој њиховој хетероструктури.
Ван дер Валсове снаге* — интермолекуларне/интератомске силе интеракције са енергијом од 10-20 кЈ/мол.
Нова техника је омогућила да се добије топлотна отпорност у хетероструктури вдВ дебљине 2 нм која је упоредива са оном у слоју СиО2 (силицијум диоксида) дебљине 300 нм.
Поред тога, употреба вдВ хетероструктура је омогућила да се добије контрола над термичким својствима на атомском нивоу кроз раслојавање хетерогених XNUMXД монослојева са различитим густинама атомске масе и вибрационим модовима.
Дакле, хајде да не вучемо мачку за бркове и почнимо да разматрамо резултате овог невероватног истраживања.
Резултати истраживања
Пре свега, да се упознамо са микроструктурним и оптичким карактеристикама вдВ хетероструктура коришћених у овој студији.
Слика #1
На слици КСНУМКС приказује дијаграм попречног пресека четворослојне хетероструктуре која се састоји од (од врха до дна): графена (Гр), МоСе2, МоС2, ВСе22 и СиО2/Си супстрата. Да бисте скенирали све слојеве истовремено, користите Раман ласер* са таласном дужином од 532 нм.
Раман ласер* - врста ласера у којој је главни механизам појачања светлости Раманово расејање.
Раманско расејање, заузврат, је нееластично расејање оптичког зрачења на молекулима супстанце, што је праћено значајном променом фреквенције зрачења.
За потврду микроструктурне, термичке и електричне хомогености хетероструктура коришћено је неколико метода: скенирајућа трансмисиона електронска микроскопија (СТЕМ), фотолуминисценциона спектроскопија (ПЛ), микроскопија Келвин сондом (КПМ), скенирајућа термална микроскопија (СТхМ), као и Раманова спектроскопија и термометрија .
Изображение 1b показује нам Раманов спектар хетероструктуре Гр/МоСе2/МоС2/ВСе22 на СиО2/Си супстрату на месту означеном црвеном тачком. Овај графикон приказује потпис сваког монослоја у низу слојева, као и потпис Си супстрата.
На 1c-1f Приказане су СТЕМ слике тамног поља Гр/МоСе2/МоС2/ВСе22 хетероструктуре (КСНУМКСс) и Гр/МоС2/ВСе22 хетероструктуре (1d-1f) са различитим оријентацијама решетке. СТЕМ слике показују атомски блиске вдВ празнине без икакве контаминације, омогућавајући да укупна дебљина ових хетероструктура буде у потпуности видљива. Присуство међуслојног спајања је такође потврђено на великим површинама скенирања коришћењем фотолуминисценционе (ПЛ) спектроскопије (1g). Фотолуминисцентни сигнал појединачних слојева унутар хетероструктуре је значајно потиснут у поређењу са сигналом изолованог монослоја. Ово се објашњава процесом међуслојног преноса наелектрисања услед блиске међуслојне интеракције, која постаје још јача након жарења.
Слика #2
У циљу мерења топлотног тока управно на атомске равни хетероструктуре, низ слојева је структурисан у облику електричних уређаја са четири сонде. Горњи слој графена је у контакту са паладијум (Пд) електродама и користи се као грејач за мерења Раман термометрије.
Овај метод електричног грејања обезбеђује прецизну квантификацију улазне снаге. Други могући начин загревања, оптички, био би теже имплементиран због непознавања коефицијената апсорпције појединих слојева.
На КСНУМКС приказује мерно коло са четири сонде, и 2b приказује поглед одозго на структуру која се тестира. Распоред КСНУМКСс приказује измерене карактеристике преноса топлоте за три уређаја, један који садржи само графен и два која садрже низове слојева Гр/ВСе22 и Гр/МоСе2/ВСе22. Све варијанте показују амбиполарно понашање графена, што је повезано са одсуством јаза у појасу.
Такође је утврђено да се струјна проводљивост и загревање дешавају у горњем слоју (графену), пошто је његова електрична проводљивост неколико редова величине већа од оне код МоС2 и ВСе22.
Да би се демонстрирала хомогеност тестираних уређаја, мерења су вршена помоћу микроскопије Келвин сонде (КПМ) и скенирајуће термалне микроскопије (СТхМ). На графикону 2d Приказана су КПМ мерења откривајући линеарну расподелу потенцијала. Резултати СТхМ анализе су приказани у КСНУМКСе. Овде видимо мапу електрично загрејаних Гр/МоС2/ВСе22 канала, као и присуство униформности у површинском загревању.
Горе описане технике скенирања, посебно СТхМ, потврдиле су хомогеност проучаване структуре, односно њену хомогеност у погледу температура. Следећи корак је био да се квантификује температура сваког од конститутивних слојева коришћењем Раманове спектроскопије (тј. Раманове спектроскопије).
Сва три уређаја су тестирана, сваки са површином од ~40 µм2. У овом случају, снага грејача се променила за 9 мВ, а апсорбована снага ласера је била испод ~5 μВ са површином ласерске тачке од ~0.5 μм2.
Слика #3
На графикону КСНУМКС повећање температуре (∆Т) сваког слоја и подлоге је видљиво како се повећава снага грејача у хетероструктури Гр/МоС2/ВСе22.
Нагиби линеарне функције за сваки материјал (слој) показују топлотни отпор (Ртх=∆Т/П) између појединачног слоја и хладњака. С обзиром на уједначену дистрибуцију загревања по површини, топлотни отпори се могу лако анализирати од доњег до горњег слоја, при чему се њихове вредности нормализују површином канала (ВЛ).
Л и В су дужина и ширина канала, које су знатно веће од дебљине СиО2 супстрата и бочне дужине термичког загревања, која износи ~0.1 μм.
Стога можемо извести формулу за термичку отпорност Си супстрата, која ће изгледати овако:
Ртх,Си ≈ (ВЛ)1/2 / (2kси)
У овој ситуацији kСи ≈ 90 В м−1 К−1, што је очекивана топлотна проводљивост тако високо допиране подлоге.
Разлика између Ртх,ВСе2 и Ртх,Си је збир топлотног отпора СиО2 дебљине 100 нм и топлотног граничног отпора (ТБР) интерфејса ВСе2/СиО2.
Стављајући све горе наведене аспекте заједно, можемо утврдити да је Ртх,МоС2 − Ртх,ВСе2 = ТБРМоС2/ВСе2, и Ртх,Гр − Ртх,МоС2 = ТБРГр/МоС2. Дакле, из граф КСНУМКС могуће је издвојити ТБР вредност за сваки од ВСе2/СиО2, МоС2/ВСе2 и Гр/МоС2 интерфејса.
Затим су научници упоредили укупну топлотну отпорност свих хетероструктура, мерену Рамановом спектроскопијом и термичком микроскопом (3b).
Двослојне и трослојне хетероструктуре на СиО2 су показале ефективну топлотну отпорност у опсегу од 220 до 280 м2 К/ГВ на собној температури, што је еквивалентно топлотној отпорности СиО2 дебљине од 290 до 360 нм. Упркос чињеници да дебљина хетероструктура које се проучавају не прелази 2 нм (1d-1f), њихова топлотна проводљивост је 0.007-0.009 В м−1 К−1 на собној температури.
Слика #4
На слици 4 приказана су мерења све четири структуре и топлотне граничне проводљивости (ТБЦ) њихових интерфејса, што нам омогућава да проценимо степен утицаја сваког слоја на претходно измерени топлотни отпор (ТБЦ = 1 / ТБР).
Истраживачи примећују да је ово прво ТБЦ мерење за атомски блиске интерфејсе између одвојених монослојева (2Д/2Д), посебно између монослојева ВСе2 и СиО2.
ТБЦ једнослојног ВСе2/СиО2 интерфејса је нижи него код вишеслојног ВСе2/СиО2 интерфејса, што није изненађујуће пошто једнослојни има знатно мање савијајућих фононских модова доступних за пренос. Једноставно речено, ТБЦ интерфејса између 2Д слојева је нижи од ТБЦ интерфејса између 2Д слоја и 3Д СиО2 супстрата (4b).
За детаљније упознавање са нијансама студије, препоручујем да погледате и њему.
Епилог
Ово истраживање, како тврде сами научници, даје нам знање које се може применити у имплементацији атомских термичких интерфејса. Овај рад је показао могућност стварања топлотноизолационих метаматеријала чија својства не постоје у природи. Поред тога, студија је такође потврдила могућност спровођења прецизних температурних мерења таквих структура, упркос атомској скали слојева.
Горе описане хетероструктуре могу постати основа за ултра-лаке и компактне термичке „штитове“, способне, на пример, да уклоне топлоту са врућих тачака у електроници. Поред тога, ова технологија се може користити у термоелектричним генераторима или термички контролисаним уређајима, повећавајући њихове перформансе.
Ова студија још једном потврђује да је модерна наука озбиљно заинтересована за принцип „ефикасности у напрстку“, што се не може назвати глупом идејом, с обзиром на ограничене ресурсе планете и континуирани раст потражње за свим врстама технолошких иновација.
Хвала на читању, останите радознали и желим вам одличну недељу! 🙂
Хвала вам што сте остали са нама. Да ли вам се свиђају наши чланци? Желите да видите још занимљивијег садржаја? Подржите нас тако што ћете наручити или препоручити пријатељима, 30% попуста за кориснике Хабра на јединствени аналог сервера почетног нивоа, који смо ми измислили за вас: (доступно са РАИД1 и РАИД10, до 24 језгра и до 40 ГБ ДДР4).
Делл Р730кд 2 пута јефтинији? Само овде у Холандији! Делл Р420 - 2к Е5-2430 2.2Гхз 6Ц 128ГБ ДДР3 2к960ГБ ССД 1Гбпс 100ТБ - од 99 долара! Читали о
Извор: ввв.хабр.цом