Wachezaji wengi duniani kote waliopitia enzi ya Xbox 360 wanafahamu sana hali hiyo wakati kiweko chao kilipogeuka kuwa kikaangio ambacho wangeweza kukaanga mayai. Hali sawa ya kusikitisha hutokea sio tu kwa consoles za mchezo, lakini pia kwa simu, kompyuta za mkononi, vidonge na mengi zaidi. Kimsingi, karibu kifaa chochote cha elektroniki kinaweza kupata mshtuko wa joto, ambayo inaweza kusababisha sio tu kushindwa kwake na kukasirika kwa mmiliki wake, lakini pia kwa "boom mbaya" ya betri na jeraha kubwa. Leo tutafahamiana na utafiti ambao wanasayansi kutoka Chuo Kikuu cha Stanford, kama Nick Fury kutoka kwa vichekesho, wameunda ngao ambayo inalinda sehemu za elektroniki zinazohisi joto kutokana na joto kupita kiasi na, kwa sababu hiyo, kuzuia kuvunjika kwao. Wanasayansi waliwezaje kuunda ngao ya joto, ni nini vipengele vyake kuu na ni ufanisi gani? Tunajifunza kuhusu hili na zaidi kutoka kwa ripoti ya kikundi cha utafiti. Nenda.
Msingi wa utafiti
Tatizo la kuongezeka kwa joto limejulikana kwa muda mrefu sana, na wanasayansi hutatua kwa njia mbalimbali. Baadhi ya maarufu zaidi ni matumizi ya kioo, plastiki na hata tabaka za hewa, ambazo hutumika kama aina ya vihami vya mionzi ya joto. Katika hali halisi ya kisasa, njia hii inaweza kuboreshwa kwa kupunguza unene wa safu ya kinga kwa atomi kadhaa bila kupoteza mali yake ya insulation ya mafuta. Hivyo ndivyo watafiti walivyofanya.
Kwa kweli, tunazungumza juu ya nanomaterials. Walakini, matumizi yao katika insulation ya mafuta hapo awali yalikuwa magumu na ukweli kwamba urefu wa mawimbi ya baridi (fonimu*) ni fupi sana kuliko ile ya elektroni au fotoni.
Foni* - quasiparticle, ambayo ni quantum ya mwendo wa vibrational wa atomi za kioo.
Kwa kuongeza, kutokana na asili ya bosonic ya phononi, haiwezekani kuwadhibiti kwa voltage (kama inafanywa na flygbolag za malipo), ambayo kwa ujumla inafanya kuwa vigumu kudhibiti uhamisho wa joto katika vitu vikali.
Hapo awali, sifa za joto za vitu vikali, kama watafiti wanavyotukumbusha, zilidhibitiwa kupitia filamu za nanolaminate na superlattices kutokana na matatizo ya miundo na miingiliano ya msongamano mkubwa, au kupitia nanowires za silicon na germanium kutokana na kutawanyika kwa sauti kwa nguvu.
Kwa idadi ya njia za insulation za mafuta zilizoelezwa hapo juu, wanasayansi wako tayari kwa ujasiri kuhusisha vifaa vya pande mbili, unene ambao hauzidi atomi kadhaa, ambayo huwafanya kuwa rahisi kudhibiti kwa kiwango cha atomiki. Katika utafiti wao walitumia van der Waals (vdW) mkusanyiko wa tabaka nyembamba za 2D atomi ili kufikia upinzani wa juu sana wa joto katika muundo wao wa hetero.
Vikosi vya Van der Waals* - Nguvu za mwingiliano wa intermolecular/interatomic na nishati ya 10-20 kJ/mol.
Mbinu mpya ilifanya iwezekane kupata upinzani wa joto katika muundo wa vdW wa nm 2 nene kulinganishwa na safu ya SiO2 ya nm 300 (silicon dioxide).
Kwa kuongeza, matumizi ya miundo ya vdW heterostructures imefanya uwezekano wa kupata udhibiti wa sifa za joto katika kiwango cha atomiki kupitia uwekaji wa tabaka tofauti za XNUMXD zenye msongamano tofauti wa molekuli ya atomiki na modes za vibrational.
Kwa hiyo, hebu tusivute whiskers za paka na hebu tuanze kuzingatia matokeo ya utafiti huu wa ajabu.
Matokeo ya utafiti
Awali ya yote, hebu tufahamiane na sifa za microstructural na za macho za heterostructures za vdW zilizotumiwa katika utafiti huu.
Picha #1
Kwenye picha 1 inaonyesha mchoro wa sehemu ya msalaba wa heterostructure ya safu nne inayojumuisha (kutoka juu hadi chini): graphene (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 na substrate ya SiO2/Si. Ili kuchanganua tabaka zote kwa wakati mmoja, tumia Raman laser* na urefu wa wimbi la 532 nm.
Raman laser* - aina ya laser ambayo utaratibu kuu wa amplification mwanga ni Raman kutawanyika.
Raman akitawanyika, kwa upande wake, ni kueneza kwa inelastic ya mionzi ya macho kwenye molekuli ya dutu, ambayo inaambatana na mabadiliko makubwa katika mzunguko wa mionzi.
Mbinu kadhaa zilitumika kuthibitisha ulinganifu wa miundo midogo, mafuta na umeme ya miundo ya hetero: hadubini ya upitishaji wa elektroni ya skanning (STEM), uchunguzi wa picha ya picha (PL), hadubini ya uchunguzi wa Kelvin (KPM), skanning hadubini ya joto (SThM), na vile vile uchunguzi wa Raman na thermometry .
Picha 1b inatuonyesha wigo wa Raman wa muundo wa Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 kwenye sehemu ndogo ya SiO2/Si mahali palipo alama ya nukta nyekundu. Njama hii inaonyesha saini ya kila monolayer katika safu ya safu, pamoja na saini ya substrate ya Si.
Cha 1c-1f Picha za STEM za uwanja wa giza za muundo wa Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 zinaonyeshwa (1c) na miundo ya Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) yenye mielekeo tofauti ya kimiani. Picha za STEM zinaonyesha mapengo ya vdW yanayoziba kiatomi bila uchafuzi wowote, ikiruhusu unene wa jumla wa miundo hii ya hetero kuonekana kikamilifu. Uwepo wa uunganisho wa interlayer pia ulithibitishwa juu ya maeneo makubwa ya skanning kwa kutumia spectroscopy ya photoluminescence (PL) (1g) Ishara ya photoluminescent ya tabaka za kibinafsi ndani ya heterostructure imezimwa kwa kiasi kikubwa ikilinganishwa na ishara ya monolayer iliyotengwa. Hii inafafanuliwa na mchakato wa uhamisho wa malipo ya interlayer kutokana na mwingiliano wa karibu wa interlayer, ambayo inakuwa na nguvu zaidi baada ya annealing.
Picha #2
Ili kupima mtiririko wa joto perpendicular kwa ndege za atomiki za heterostructure, safu ya tabaka iliundwa kwa namna ya vifaa vya umeme vya probe nne. Safu ya juu ya elektrodi za graphene huwasiliana na paladiamu (Pd) na hutumika kama hita kwa vipimo vya halijoto ya Raman.
Njia hii ya kupokanzwa umeme hutoa quantification sahihi ya nguvu ya pembejeo. Njia nyingine inayowezekana ya kupokanzwa, macho, itakuwa ngumu zaidi kutekeleza kwa sababu ya ujinga wa mgawo wa kunyonya wa tabaka za mtu binafsi.
Cha 2 inaonyesha mzunguko wa kipimo cha probe nne, na 2b inaonyesha mtazamo wa juu wa muundo unaojaribiwa. Ratiba 2c huonyesha sifa zilizopimwa za uhamishaji joto kwa vifaa vitatu, kimoja kina graphene pekee na viwili vyenye safu za safu za Gr/WSe22 na Gr/MoSe2/WSe22. Vibadala vyote vinaonyesha tabia isiyo ya kawaida ya graphene, ambayo inahusishwa na kukosekana kwa pengo la bendi.
Pia iligundua kuwa uendeshaji wa sasa na inapokanzwa hutokea kwenye safu ya juu (graphene), kwani conductivity yake ya umeme ni amri kadhaa za ukubwa wa juu kuliko ile ya MoS2 na WSe22.
Ili kuonyesha usawa wa vifaa vilivyojaribiwa, vipimo vilichukuliwa kwa kutumia microscopy ya Kelvin probe (KPM) na kuchanganua hadubini ya joto (SThM). Kwenye chati 2d Vipimo vya KPM huonyeshwa kuonyesha usambazaji unaowezekana wa mstari. Matokeo ya uchambuzi wa SThM yanaonyeshwa katika 2. Hapa tunaona ramani ya njia za kupokanzwa umeme za Gr/MoS2/WSe22, pamoja na kuwepo kwa usawa katika kupokanzwa uso.
Mbinu za skanning zilizoelezwa hapo juu, hasa SThM, zilithibitisha homogeneity ya muundo chini ya utafiti, yaani, homogeneity yake, kwa suala la joto. Hatua iliyofuata ilikuwa kutathmini halijoto ya kila tabaka za eneo kwa kutumia uchunguzi wa Raman (yaani, uchunguzi wa Raman).
Vifaa vyote vitatu vilijaribiwa, kila kimoja kikiwa na eneo la ~40 Β΅m2. Katika kesi hii, nguvu ya hita ilibadilika kwa 9 mW, na nguvu ya laser iliyoingizwa ilikuwa chini ya ~ 5 ΞΌW na eneo la laser la ~ 0.5 ΞΌm2.
Picha #3
Kwenye chati 3 ongezeko la halijoto (βT) la kila safu na sehemu ndogo huonekana kadri nguvu ya hita katika muundo wa Gr/MoS2/WSe22 inavyoongezeka.
Miteremko ya kazi ya mstari kwa kila nyenzo (safu) inaonyesha upinzani wa joto (Rth = βT / P) kati ya safu ya mtu binafsi na shimoni la joto. Kwa kuzingatia usambazaji sawa wa kupokanzwa juu ya eneo hilo, upinzani wa joto unaweza kuchambuliwa kwa urahisi kutoka chini hadi safu ya juu, wakati ambao maadili yao yanarekebishwa na eneo la kituo (WL).
L na W ni urefu na upana wa chaneli, ambayo ni kubwa zaidi kuliko unene wa substrate ya SiO2 na urefu wa kupokanzwa wa kando wa mafuta, ambao ni ~0.1 ΞΌm.
Kwa hivyo, tunaweza kupata formula ya upinzani wa joto wa substrate ya Si, ambayo itaonekana kama hii:
Rth,Si β (WL)1/2 / (2kSi)
Katika hali hii kSi β 90 W mβ1 Kβ1, ambayo ndiyo upitishaji wa joto unaotarajiwa wa substrate iliyo na dope nyingi.
Tofauti kati ya Rth,WSe2 na Rth,Si ni jumla ya upinzani wa joto wa 2 nm nene SiO100 na upinzani wa mpaka wa joto (TBR) wa kiolesura cha WSe2/SiO2.
Kuweka vipengele vyote vilivyo hapo juu pamoja, tunaweza kuthibitisha kwamba Rth,MoS2 - Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, na Rth,Gr - Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Kwa hivyo, kutoka kwa grafu 3 inawezekana kutoa thamani ya TBR kwa kila moja ya violesura vya WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 na Gr/MoS2.
Kisha, wanasayansi walilinganisha upinzani wa jumla wa mafuta wa miundo yote ya hetero, iliyopimwa kwa kutumia uchunguzi wa Raman na hadubini ya joto.3b).
Heterostructures ya Bilayer na trilayer kwenye SiO2 ilionyesha upinzani mzuri wa joto katika safu ya 220 hadi 280 m2 K/GW kwenye joto la kawaida, ambayo ni sawa na upinzani wa joto wa SiO2 na unene wa 290 hadi 360 nm. Licha ya ukweli kwamba unene wa heterostructures chini ya utafiti hauzidi 2 nm (1d-1f), conductivity yao ya joto ni 0.007-0.009 W m-1 K-1 kwa joto la kawaida.
Picha #4
Picha 4 inaonyesha vipimo vya miundo yote minne na conductivity ya mipaka ya mafuta (TBC) ya miingiliano yao, ambayo inaruhusu sisi kutathmini kiwango cha ushawishi wa kila safu kwenye upinzani wa joto uliopimwa hapo awali (TBC = 1 / TBR).
Watafiti wanabainisha kuwa hiki ndicho kipimo cha kwanza kabisa cha TBC kwa miingiliano iliyo karibu ya atomi kati ya vidhibiti tofauti (2D/2D), haswa kati ya safu moja za WSe2 na SiO2.
TBC ya kiolesura cha monolayer WSe2/SiO2 iko chini kuliko ile ya kusano ya multilayer WSe2/SiO2, ambayo haishangazi kwa kuwa kiolesura cha monolayer kina modi za phononi chache zinazopatikana kwa ajili ya kusambaza. Kwa ufupi, TBC ya kiolesura kati ya tabaka za 2D iko chini kuliko TBC ya kiolesura kati ya safu ya 2D na substrate ya 3D SiO2 (4b).
Kwa ufahamu wa kina zaidi na nuances ya utafiti, napendekeza kutazama ΠΈ kwake.
Epilogue
Utafiti huu, kama wanasayansi wenyewe wanavyodai, unatupa maarifa ambayo yanaweza kutumika katika utekelezaji wa miingiliano ya joto ya atomiki. Kazi hii ilionyesha uwezekano wa kuunda metamatadium za kuhami joto ambazo mali zake hazipatikani kwa asili. Kwa kuongezea, utafiti huo pia ulithibitisha uwezekano wa kufanya vipimo sahihi vya joto vya miundo kama hiyo, licha ya kiwango cha atomiki cha tabaka.
Miundo ya hetero iliyoelezwa hapo juu inaweza kuwa msingi wa "ngao" za mafuta-mwanga zaidi na za kompakt, zenye uwezo, kwa mfano, za kuondoa joto kutoka kwa sehemu za moto kwenye umeme. Kwa kuongeza, teknolojia hii inaweza kutumika katika jenereta za thermoelectric au vifaa vinavyodhibitiwa na joto, na kuongeza utendaji wao.
Utafiti huu kwa mara nyingine tena unathibitisha kwamba sayansi ya kisasa inapendezwa sana na kanuni ya "ufanisi katika thimble," ambayo haiwezi kuitwa wazo la kijinga, kutokana na rasilimali ndogo ya sayari na ukuaji unaoendelea wa mahitaji ya kila aina ya ubunifu wa kiteknolojia.
Asante kwa umakini wako, endelea kutaka kujua na uwe na wiki njema kila mtu! π
Asante kwa kukaa nasi. Je, unapenda makala zetu? Je, ungependa kuona maudhui ya kuvutia zaidi? Tuunge mkono kwa kuweka agizo au kupendekeza kwa marafiki, Punguzo la 30% kwa watumiaji wa Habr kwenye analogi ya kipekee ya seva za kiwango cha kuingia, ambayo tulikutengenezea: (inapatikana kwa RAID1 na RAID10, hadi cores 24 na hadi 40GB DDR4).
Dell R730xd mara 2 nafuu? Hapa tu nchini Uholanzi! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - kutoka $99! Soma kuhusu
Chanzo: mapenzi.com