Seueur pamaén di sakumna dunya anu ngalaman jaman Xbox 360 akrab pisan sareng kaayaan nalika konsolna janten pan frying dimana aranjeunna tiasa ngagoreng endog. Kaayaan hanjelu anu sami henteu ngan ukur aya dina konsol kaulinan, tapi ogé dina telepon, laptop, tablet sareng seueur deui. Sacara prinsip, ampir sagala alat éléktronik bisa ngalaman shock termal, nu bisa ngakibatkeun teu ukur kagagalan sarta kesel nu boga na, tapi ogé "booming goréng" batré jeung tatu serius. Dinten ieu kami bakal meunang acquainted jeung ulikan nu élmuwan ti Stanford University, kawas Nick Fury ti komik, geus dijieun tameng nu ngajaga panas-sénsitip bagian éléktronik ti overheating sarta, salaku hasilna, nyegah ngarecahna maranéhanana. Kumaha élmuwan junun nyieun tameng termal, naon komponén utama na kumaha éféktif éta? Urang diajar ngeunaan ieu sareng seueur deui tina laporan kelompok panalungtikan. indit.
Dasar panalungtikan
Masalah overheating geus dipikawanoh pikeun waktu anu pohara lila, sarta élmuwan ngajawab eta dina rupa-rupa cara. Sababaraha nu pang populerna anu pamakéan kaca, plastik sarta malah lapisan hawa, nu ngawula ka salaku jenis insulators radiasi termal. Dina realitas modern, metoda ieu bisa ningkat ku cara ngurangan ketebalan tina lapisan pelindung ka sababaraha atom tanpa kaleungitan sipat insulasi termal na. Éta persis anu dilakukeun ku peneliti.
Urang, tangtosna, ngobrol ngeunaan nanomaterials. Sanajan kitu, pamakéan maranéhanana dina insulasi termal saméméhna pajeulit ku kanyataan yén panjang gelombang coolants (fonon*) nyata leuwih pondok batan éléktron atawa foton.
fonon* - a quasiparticle, nu mangrupakeun kuantum gerak vibrational atom kristal.
Sajaba ti éta, alatan sipat bosonic of fonon, mustahil pikeun ngadalikeun aranjeunna ku tegangan (sakumaha anu dipigawé ku operator muatan), nu umumna ngajadikeun hésé ngadalikeun mindahkeun panas dina padet.
Saméméhna, sipat termal padet, sakumaha peneliti ngingetkeun urang, anu dikawasa ngaliwatan film nanolaminate na superlattices alatan gangguan struktural jeung interfaces dénsitas tinggi, atawa ngaliwatan silikon jeung germanium nanowires alatan paburencay phonon kuat.
Pikeun sajumlah metode insulasi termal anu dijelaskeun di luhur, para ilmuwan yakin siap pikeun atribut bahan dua diménsi, ketebalan anu henteu ngaleuwihan sababaraha atom, anu matak gampang dikontrol dina skala atom. Dina pangajaran maranéhna dipaké van der Waals (vdW) rakitan lapisan 2D ipis atom pikeun ngahontal résistansi termal anu luhur pisan sapanjang heterostrukturna.
Pasukan Van der Waals* - gaya interaksi antarmolekul/interatomik kalawan énergi 10-20 kJ/mol.
Téhnik anyar ngamungkinkeun pikeun ménta résistansi termal dina hétérostruktur vdW kalayan ketebalan 2 nm, dibandingkeun sareng lapisan SiO2 (silikon dioksida) kalayan kandel 300 nm.
Sajaba ti éta, pamakéan vdW heterostructures geus ngamungkinkeun pikeun meunangkeun kontrol leuwih sipat termal dina tingkat atom ngaliwatan layering monolayers XNUMXD hétérogén jeung dénsitas massa atom béda jeung mode geter.
Ku kituna, hayu urang teu narik kumis ucing jeung hayu urang ngawitan mertimbangkeun hasil panalungtikan endah ieu.
Hasil panilitian
Anu mimiti, hayu urang kenal sareng ciri mikrostruktural sareng optik tina hétérostruktur vdW anu digunakeun dina ieu panalungtikan.
Gambar #1
Dina gambar 1a nembongkeun diagram cross-sectional tina heterostructure opat-lapisan diwangun ku (ti luhur ka handap): graphene (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 jeung substrat SiO2 / Si. Pikeun nyeken sadaya lapisan sakaligus, paké Raman laser* kalayan panjang gelombang 532 nm.
Raman laser* - jinis laser dimana mékanisme utama amplifikasi cahaya nyaéta paburencay Raman.
Raman paburencay, Sabalikna, nyaéta paburencay inélastis radiasi optik dina molekul hiji zat, nu dipirig ku parobahan signifikan dina frékuénsi radiasi.
Sababaraha métode digunakeun pikeun ngonfirmasi homogénitas mikrostruktural, termal jeung listrik tina hétérostruktur: scanning transmission electron microscopy (STEM), photoluminescence spectroscopy (PL), Kelvin probe microscopy (KPM), scanning thermal microscopy (SThM), ogé Raman spectroscopy and térmométri.
gambaran 1b nembongkeun kami spéktrum Raman tina heterostructure Gr / MoSe2 / MoS2 / WSe22 dina substrat SiO2 / Si di lokasi ditandaan ku titik beureum. Plot ieu nunjukkeun tanda tangan unggal monolayer dina susunan lapisan, ogé tanda tangan substrat Si.
on 1c-1f gambar STEM lapangan poék tina heterostructure Gr / MoSe2 / MoS2 / WSe22 ditampilkeun (1s) jeung Gr/MoS2/WSe22 heterostructures (1d-1f) kalawan orientasi kisi béda. Gambar STEM nunjukkeun celah vdW anu nutup sacara atom tanpa kontaminasi, ngamungkinkeun ketebalan sakabéh heterostructure ieu katingali sapinuhna. Ayana gandeng interlayer ieu ogé dikonfirmasi leuwih wewengkon scanning badag ngagunakeun spéktroskopi photoluminescence (PL).1g). Sinyal photoluminescent tina lapisan individu di jero heterostructure sacara signifikan diteken dibandingkeun sareng sinyal monolayer terasing. Ieu dijelaskeun ku prosés mindahkeun muatan interlayer alatan interaksi interlayer nutup, nu jadi malah kuat sanggeus annealing.
Gambar #2
Dina raraga ngukur aliran panas jejeg planes atom tina heterostructure nu, susunan lapisan ieu terstruktur dina bentuk alat listrik opat-usik. Lapisan luhur graphene ngahubungi éléktroda palladium (Pd) sareng dianggo salaku pamanas pikeun pangukuran térmométri Raman.
Métode pemanasan listrik ieu nyayogikeun kuantitas kakuatan input anu tepat. Metoda pemanasan sejen mungkin, optik, bakal leuwih hese pikeun nerapkeun alatan jahiliah tina koefisien nyerep lapisan individu.
on 2a nembongkeun sirkuit ukur opat-usik, jeung 2b nembongkeun tempoan luhur struktur keur diuji. Jadwal 2s nembongkeun ciri mindahkeun panas diukur pikeun tilu alat, hiji ngandung ukur graphene na dua ngandung Gr / WSe22 na Gr / MoSe2 / arrays lapisan WSe22. Sadaya varian nunjukkeun paripolah ambipolar graphene, anu aya hubunganana sareng henteuna gap pita.
Ogé kapanggih yén konduksi arus jeung pemanasan lumangsung dina lapisan luhur (graphene), saprak konduktivitas listrik na sababaraha ordo gedena leuwih luhur ti éta MoS2 na WSe22.
Pikeun nunjukkeun homogénitas alat anu diuji, pangukuran dilaksanakeun nganggo Kelvin probe microscopy (KPM) sareng scanning thermal microscopy (SThM). Dina bagan 2d Pangukuran KPM ditampilkeun nembongkeun sebaran poténsi linier. Hasil analisis SThM dipidangkeun dina 2s. Di dieu urang ningali peta saluran Gr / MoS2 / WSe22 anu dipanaskeun sacara listrik, ogé ayana seragam dina pemanasan permukaan.
Téhnik scanning anu ditétélakeun di luhur, khususna SThM, mastikeun homogénitas struktur anu ditalungtik, nyaéta, homogénitasna, dina hal suhu. Léngkah satuluyna nya éta ngitung suhu unggal lapisan konstituén ngagunakeun spéktroskopi Raman (nyaéta spéktroskopi Raman).
Katiluna alat diuji, masing-masing kalayan legana ~40 µm2. Dina hal ieu, kakuatan manaskeun dirobih ku 9 mW, sareng kakuatan laser anu diserep di handap ~ 5 μW kalayan daérah titik laser ~ 0.5 μm2.
Gambar #3
Dina bagan 3a paningkatan dina suhu (∆T) unggal lapisan jeung substrat katempo salaku kakuatan manaskeun dina Gr / MoS2 / WSe22 heterostructure naek.
Lamping fungsi linier pikeun tiap bahan (lapisan) nunjukkeun résistansi termal (Rth=∆T/P) antara lapisan individu jeung heat sink. Dibikeun distribusi seragam pemanasan di daérah éta, résistansi termal tiasa gampang dianalisis ti handap ka lapisan luhur, dimana nilaina dinormalisasi ku daérah saluran (WL).
L sareng W nyaéta panjang sareng lebar saluran, anu langkung ageung tibatan ketebalan substrat SiO2 sareng panjang pemanasan termal gurat, nyaéta ~ 0.1 μm.
Ku alatan éta, urang bisa nurunkeun rumus résistansi termal tina substrat Si, nu bakal kasampak kawas kieu:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
Dina kaayaan ieu kSi ≈ 90 W m−1 K−1, nu ekspektasi konduktivitas termal substrat kacida doped misalna.
Beda antara Rth, WSe2 na Rth, Si nyaeta jumlah tina lalawanan termal 2 nm kandel SiO100 sarta lalawanan wates termal (TBR) tina panganteur WSe2 / SiO2.
Ngahijikeun sadaya aspék di luhur, urang tiasa netepkeun yén Rth,MoS2 - Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, sareng Rth,Gr - Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Ku alatan éta, tina grafik 3a kasebut nyaéta dimungkinkeun pikeun nimba nilai TBR pikeun tiap WSe2 / SiO2, MoS2 / WSe2 na Gr / MoS2 interfaces.
Salajengna, para ilmuwan ngabandingkeun total résistansi termal sadaya heterostructures, diukur ngagunakeun spéktroskopi Raman sareng mikroskop termal (3b).
Bilayer na trilayer heterostructures on SiO2 exhibited résistansi termal éféktif dina rentang 220 mun 280 m2 K / GW dina suhu kamar, nu sarua jeung lalawanan termal tina SiO2 kalawan ketebalan tina 290 mun 360 nm. Sanaos kanyataan yén ketebalan heterostructure anu ditaliti henteu langkung ti 2 nm (1d-1f), konduktivitas termalna nyaéta 0.007-0.009 W m−1 K−1 dina suhu kamar.
Gambar #4
Gambar 4 nunjukkeun pangukuran sadaya opat struktur sareng konduktivitas wates termal (TBC) tina antarmukana, anu ngamungkinkeun urang ngira-ngira darajat pangaruh unggal lapisan dina résistansi termal anu diukur sateuacana (TBC = 1 / TBR).
Para panalungtik dicatet yén ieu téh pangukuran TBC munggaran pikeun interfaces nutup atom antara monolayers misah (2D/2D), husus antara WSe2 na SiO2 monolayers.
TBC tina panganteur WSe2 / SiO2 monolayer leuwih handap tina panganteur WSe2 / SiO2 multilayer, nu teu héran saprak monolayer ngabogaan mode phonon bending nyata pangsaeutikna sadia pikeun transmisi. Kantun nempatkeun, TBC tina panganteur antara lapisan 2D leuwih handap tina TBC tina panganteur antara lapisan 2D jeung substrat 3D SiO2 (4b).
Pikeun kenalan anu langkung rinci sareng nuansa pangajaran, kuring nyarankeun ningali и ka anjeunna.
epilog
Panaliti ieu, sakumaha anu diklaim ku para ilmuwan, masihan urang pangaweruh anu tiasa diterapkeun dina palaksanaan antarmuka termal atom. Karya ieu nunjukkeun kamungkinan nyiptakeun metamaterial insulasi panas anu sipatna henteu kapendak di alam. Sajaba ti éta, ulikan ogé dikonfirmasi kamungkinan ngalakonan ukuran suhu tepat struktur misalna, sanajan skala atom tina lapisan.
The heterostructures ditétélakeun di luhur bisa jadi dadasar pikeun ultra-lampu jeung kompak termal "tameng", sanggup, contona, nyoplokkeun panas tina titik panas dina éléktronika. Salaku tambahan, téknologi ieu tiasa dianggo dina generator thermoelectric atanapi alat anu dikontrol sacara termal, ningkatkeun kamampuanana.
Panaliti ieu sakali deui negeskeun yén élmu modéren serius museurkeun prinsip "efisiensi dina bidal," anu teu tiasa disebat ideu bodo, upami sumber daya pangeusina terbatas sareng kamekaran paménta pikeun sagala jinis inovasi téknologi.
Hatur nuhun kana perhatosan anjeun, tetep panasaran sareng wilujeng minggu sadayana! 🙂
Hatur nuhun pikeun tetep sareng kami. Naha anjeun resep artikel kami? Hoyong ningali eusi anu langkung narik? Dukung kami ku cara nempatkeun pesenan atanapi nyarankeun ka babaturan, Diskon 30% pikeun pangguna Habr dina analog unik tina server tingkat éntri, anu diciptakeun ku kami pikeun anjeun: (sadia kalawan RAID1 na RAID10, nepi ka 24 cores sarta nepi ka 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kali langkung mirah? Ngan di dieu di Walanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - ti $99! Baca ngeunaan
sumber: www.habr.com