Många spelare runt om i världen som upplevde Xbox 360-eran är mycket bekanta med situationen när deras konsol förvandlades till en stekpanna där de kunde steka ägg. En liknande sorglig situation uppstår inte bara med spelkonsoler, utan också med telefoner, bärbara datorer, surfplattor och mycket mer. I princip kan nästan vilken elektronisk enhet som helst uppleva termisk chock, vilket inte bara kan leda till dess misslyckande och upprörd ägare, utan också till batteriets "dåliga boom" och allvarliga skador. Idag kommer vi att bekanta oss med en studie där forskare från Stanford University, som Nick Fury från serierna, har skapat en sköld som skyddar värmekänsliga elektroniska delar från överhettning och som ett resultat förhindrar deras sammanbrott. Hur lyckades forskare skapa en termisk sköld, vilka är dess huvudkomponenter och hur effektiv är den? Vi lär oss om detta och mer från forskargruppens rapport. Gå.
Forskningsunderlag
Problemet med överhettning har varit känt under mycket lång tid, och forskare löser det på en mängd olika sätt. Några av de mest populära är användningen av glas, plast och till och med luftlager, som fungerar som ett slags isolatorer av termisk strålning. I moderna verkligheter kan denna metod förbättras genom att minska tjockleken på skyddsskiktet till flera atomer utan att förlora sina värmeisoleringsegenskaper. Det var precis vad forskarna gjorde.
Vi pratar naturligtvis om nanomaterial. Men deras användning i värmeisolering komplicerades tidigare av det faktum att våglängden hos kylvätskor (fononer*) är betydligt kortare än för elektroner eller fotoner.
Phonon* - en kvasipartikel, som är ett kvantum av vibrationsrörelsen hos kristallatomer.
På grund av fononernas bosoniska natur är det dessutom omöjligt att styra dem med spänning (som man gör med laddningsbärare), vilket generellt gör det svårt att kontrollera värmeöverföringen i fasta ämnen.
Tidigare kontrollerades de termiska egenskaperna hos fasta ämnen, som forskare påminner oss om, genom nanolaminatfilmer och supergitter på grund av strukturell oordning och gränssnitt med hög densitet, eller genom nanotrådar av kisel och germanium på grund av stark fononspridning.
Till ett antal av de värmeisoleringsmetoder som beskrivs ovan är forskare med tillförsikt redo att tillskriva tvådimensionella material, vars tjocklek inte överstiger flera atomer, vilket gör dem lätta att kontrollera i atomär skala. I sin studie använde de van der Waals (vdW) sammansättning av atomärt tunna 2D-lager för att uppnå mycket hög termisk resistans genom hela deras heterostruktur.
Van der Waals styrkor* — intermolekylära/interatomära interaktionskrafter med en energi på 10-20 kJ/mol.
Den nya tekniken gjorde det möjligt att erhålla termisk resistans i en 2 nm tjock vdW heterostruktur jämförbar med den i ett 2 nm tjockt SiO300 (kiseldioxid) skikt.
Dessutom har användningen av vdW-heterostrukturer gjort det möjligt att få kontroll över termiska egenskaper på atomnivå genom skiktning av heterogena XNUMXD-monoskikt med olika atommassadensiteter och vibrationslägen.
Så låt oss inte dra i kattens morrhår och låt oss börja överväga resultaten av denna fantastiska forskning.
Forskningsresultat
Först och främst, låt oss bekanta oss med de mikrostrukturella och optiska egenskaperna hos vdW-heterostrukturerna som används i denna studie.
Bild #1
På bilden 1a visar ett tvärsnittsdiagram av en heterostruktur i fyra lager bestående av (uppifrån och ned): grafen (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 och ett SiO2/Si-substrat. För att skanna alla lager samtidigt, använd Raman laser* med en våglängd på 532 nm.
Raman laser* - en typ av laser där huvudmekanismen för ljusförstärkning är Raman-spridning.
Raman-spridning, i sin tur, är den oelastiska spridningen av optisk strålning på molekylerna av ett ämne, vilket åtföljs av en betydande förändring av strålningens frekvens.
Flera metoder användes för att bekräfta den mikrostrukturella, termiska och elektriska homogeniteten hos heterostrukturer: sveptransmissionselektronmikroskopi (STEM), fotoluminescensspektroskopi (PL), Kelvin-sondmikroskopi (KPM), sveptermisk mikroskopi (SThM), såväl som Ramanspektroskopi och termometri .
bild 1b visar oss Raman-spektrumet för en Gr/MoSe2/MoS2/WSe22-heterostruktur på ett SiO2/Si-substrat på den plats som är markerad med en röd prick. Detta diagram visar signaturen för varje monolager i lageruppsättningen, såväl som signaturen för Si-substratet.
På 1c-1f mörkfälts STEM-bilder av heterostrukturen Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 visas (1s) och Gr/MoS2/WSe22 heterostrukturer (1d-1f) med olika gitterorientering. STEM-bilder visar atomärt nära vdW-gap utan någon förorening, vilket gör att den totala tjockleken av dessa heterostrukturer är helt synlig. Förekomsten av mellanskiktskoppling bekräftades också över stora skanningsytor med hjälp av fotoluminescens (PL) spektroskopi (1g). Den fotoluminescerande signalen för individuella skikt inuti heterostrukturen är signifikant undertryckt jämfört med signalen från ett isolerat monoskikt. Detta förklaras av processen med laddningsöverföring mellan skikten på grund av nära växelverkan mellan skikten, som blir ännu starkare efter glödgning.
Bild #2
För att mäta värmeflödet vinkelrätt mot heterostrukturens atomplan, strukturerades skiktet av skikt i form av elektriska anordningar med fyra sönder. Det översta lagret av grafen kommer i kontakt med palladium (Pd) elektroder och används som en värmare för Raman termometri mätningar.
Denna elektriska uppvärmningsmetod ger exakt kvantifiering av ineffekt. En annan möjlig uppvärmningsmetod, optisk, skulle vara svårare att implementera på grund av okunnighet om absorptionskoefficienterna för enskilda skikt.
På 2a visar en mätkrets med fyra sönder, och 2b visar en vy ovanifrån av strukturen som testas. Schema 2s visar uppmätta värmeöverföringsegenskaper för tre enheter, en som endast innehåller grafen och två som innehåller Gr/WSe22- och Gr/MoSe2/WSe22-lageruppsättningar. Alla varianter visar ambipolärt beteende hos grafen, vilket är associerat med frånvaron av ett bandgap.
Man fann också att strömledning och uppvärmning förekommer i det övre lagret (grafen), eftersom dess elektriska ledningsförmåga är flera storleksordningar högre än MoS2 och WSe22.
För att demonstrera homogeniteten hos de testade enheterna gjordes mätningar med hjälp av Kelvin-sondmikroskopi (KPM) och scanning termisk mikroskopi (SThM). På diagrammet 2d KPM-mätningar visas och avslöjar den linjära potentialfördelningen. Resultaten av SThM-analysen visas i 2е. Här ser vi en karta över elektriskt uppvärmda Gr/MoS2/WSe22-kanaler, samt förekomsten av enhetlighet i ytuppvärmning.
De ovan beskrivna skanningsteknikerna, i synnerhet SThM, bekräftade homogeniteten hos strukturen som studerades, det vill säga dess homogenitet, i termer av temperaturer. Nästa steg var att kvantifiera temperaturen för vart och ett av de ingående lagren med användning av Raman-spektroskopi (dvs. Raman-spektroskopi).
Alla tre enheterna testades, var och en med en yta på ~40 µm2. I det här fallet ändrades värmarens effekt med 9 mW, och den absorberade lasereffekten var under ~5 μW med en laserfläckarea på ~0.5 μm2.
Bild #3
På diagrammet 3a en ökning av temperaturen (∆T) för varje lager och substrat är synlig när värmeeffekten i Gr/MoS2/WSe22-heterostrukturen ökar.
Lutningarna för den linjära funktionen för varje material (lager) indikerar det termiska motståndet (Rth=∆T/P) mellan det enskilda lagret och kylflänsen. Med tanke på den enhetliga uppvärmningsfördelningen över området kan termiska motstånd lätt analyseras från botten till toppskiktet, under vilket deras värden normaliseras av kanalområdet (WL).
L och W är kanalens längd och bredd, som är betydligt större än tjockleken på SiO2-substratet och den laterala termiska uppvärmningslängden, som är ~0.1 μm.
Därför kan vi härleda formeln för Si-substratets termiska motstånd, som kommer att se ut så här:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
I den här situationen kSi ≈ 90 W m−1 K−1, vilket är den förväntade värmeledningsförmågan för ett sådant högdopat substrat.
Skillnaden mellan Rth,WSe2 och Rth,Si är summan av den termiska resistansen för 2 nm tjock SiO100 och den termiska gränsresistansen (TBR) för WSe2/SiO2-gränssnittet.
Genom att sätta ihop alla ovanstående aspekter kan vi fastställa att Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, och Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Därför från grafen 3a det är möjligt att extrahera TBR-värdet för vart och ett av WSe2/SiO2-, MoS2/WSe2- och Gr/MoS2-gränssnitten.
Därefter jämförde forskarna den totala termiska resistansen för alla heterostrukturer, mätt med Raman-spektroskopi och termisk mikroskopi (3b).
Tvåskikts- och treskiktsheterostrukturer på SiO2 uppvisade effektiv termisk resistans i intervallet 220 till 280 m2 K/GW vid rumstemperatur, vilket är ekvivalent med den termiska resistansen för SiO2 med en tjocklek av 290 till 360 nm. Trots det faktum att tjockleken på heterostrukturerna som studeras inte överstiger 2 nm (1d-1f), deras värmeledningsförmåga är 0.007-0.009 W m−1 K−1 vid rumstemperatur.
Bild #4
Bild 4 visar mätningarna av alla fyra strukturer och den termiska gränskonduktiviteten (TBC) för deras gränssnitt, vilket gör att vi kan utvärdera graden av påverkan av varje lager på den tidigare uppmätta termiska resistansen (TBC = 1 / TBR).
Forskarna noterar att detta är den första TBC-mätningen någonsin för atomärt nära gränssnitt mellan separata monolager (2D/2D), särskilt mellan WSe2 och SiO2 monolager.
TBC för ett monolager WSe2/SiO2-gränssnitt är lägre än för ett flerlagers WSe2/SiO2-gränssnitt, vilket inte är förvånande eftersom monolagret har betydligt färre böjningsfononlägen tillgängliga för överföring. Enkelt uttryckt är TBC för gränssnittet mellan 2D-skikt lägre än TBC för gränssnittet mellan 2D-skiktet och 3D SiO2-substratet (4b).
För en mer detaljerad bekantskap med studiens nyanser rekommenderar jag att titta på и till honom.
Epilog
Denna forskning, som forskarna själva hävdar, ger oss kunskap som kan tillämpas i implementeringen av atomära termiska gränssnitt. Detta arbete visade möjligheten att skapa värmeisolerande metamaterial vars egenskaper inte finns i naturen. Dessutom bekräftade studien också möjligheten att utföra exakta temperaturmätningar av sådana strukturer, trots lagrens atomära skala.
De ovan beskrivna heterostrukturerna kan bli grunden för ultralätta och kompakta termiska "sköldar", som till exempel kan ta bort värme från hot spots inom elektronik. Dessutom kan denna teknik användas i termoelektriska generatorer eller termiskt styrda enheter, vilket ökar deras prestanda.
Denna studie bekräftar återigen att modern vetenskap är allvarligt intresserad av principen om "effektivitet i en fingerborg", som inte kan kallas en dum idé, med tanke på planetens begränsade resurser och den kontinuerliga tillväxten i efterfrågan på alla typer av tekniska innovationer.
Tack för din uppmärksamhet, var nyfiken och ha en bra vecka alla! 🙂
Tack för att du stannar hos oss. Gillar du våra artiklar? Vill du se mer intressant innehåll? Stöd oss genom att lägga en beställning eller rekommendera till vänner, 30 % rabatt för Habr-användare på en unik analog av nybörjarservrar, som uppfanns av oss för dig: (tillgänglig med RAID1 och RAID10, upp till 24 kärnor och upp till 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 gånger billigare? Bara här i Nederländerna! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - från $99! Läs om
Källa: will.com