ทำไมต้องใช้แผ่นทำความร้อนหากคุณมีแล็ปท็อป: การศึกษาความต้านทานความร้อนในระดับอะตอม

นักเล่นเกมหลายคนทั่วโลกที่เคยสัมผัสยุค Xbox 360 คุ้นเคยกับสถานการณ์เมื่อคอนโซลกลายเป็นกระทะสำหรับทอดไข่ สถานการณ์ที่น่าเศร้าที่คล้ายกันเกิดขึ้นไม่เพียงแต่กับเกมคอนโซลเท่านั้น แต่ยังเกิดขึ้นกับโทรศัพท์ แล็ปท็อป แท็บเล็ต และอื่นๆ อีกมากมาย โดยหลักการแล้วอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เกือบทุกชนิดสามารถประสบกับการเปลี่ยนแปลงความร้อนซึ่งไม่เพียงนำไปสู่ความล้มเหลวและความไม่พอใจของเจ้าของเท่านั้น แต่ยังรวมถึง "บูมที่ไม่ดี" ของแบตเตอรี่และการบาดเจ็บสาหัสด้วย วันนี้เราจะมาทำความรู้จักกับการศึกษาที่นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด เช่น Nick Fury จากการ์ตูน ได้สร้างเกราะที่ปกป้องชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ไวต่อความร้อนจากความร้อนสูงเกินไป และด้วยเหตุนี้ จึงป้องกันการแตกหักได้ นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างแผงป้องกันความร้อนได้อย่างไร มีส่วนประกอบหลักอะไรบ้าง และมีประสิทธิภาพเพียงใด เราเรียนรู้เกี่ยวกับเรื่องนี้และอื่นๆ อีกมากมายจากรายงานของกลุ่มวิจัย ไป.

พื้นฐานการวิจัย

ปัญหาเรื่องความร้อนสูงเกินไปเป็นที่ทราบกันมานานแล้วและนักวิทยาศาสตร์ก็แก้ปัญหาได้หลายวิธี สิ่งที่ได้รับความนิยมมากที่สุดคือการใช้แก้วพลาสติกและแม้แต่ชั้นอากาศซึ่งทำหน้าที่เป็นฉนวนของการแผ่รังสีความร้อน ในความเป็นจริงสมัยใหม่ วิธีการนี้สามารถปรับปรุงได้โดยการลดความหนาของชั้นป้องกันให้เหลือหลายอะตอม โดยไม่สูญเสียคุณสมบัติของฉนวนความร้อน นั่นคือสิ่งที่นักวิจัยทำ

แน่นอนว่าเรากำลังพูดถึงวัสดุนาโน อย่างไรก็ตาม การใช้ฉนวนกันความร้อนก่อนหน้านี้มีความซับซ้อนเนื่องจากความยาวคลื่นของสารหล่อเย็น (โฟนันส์*) สั้นกว่าอิเล็กตรอนหรือโฟตอนอย่างมาก

โพนอน* - Quasiparticle ซึ่งเป็นควอนตัมของการเคลื่อนที่แบบสั่นสะเทือนของอะตอมคริสตัล

นอกจากนี้ เนื่องจากธรรมชาติของโฟนันเป็นโบโซนิค จึงเป็นไปไม่ได้ที่จะควบคุมพวกมันด้วยแรงดันไฟฟ้า (เช่นเดียวกับที่ทำกับตัวพาประจุ) ซึ่งโดยทั่วไปทำให้ควบคุมการถ่ายเทความร้อนในของแข็งได้ยาก

ก่อนหน้านี้ สมบัติทางความร้อนของของแข็งดังที่นักวิจัยเตือนเราว่า ถูกควบคุมผ่านฟิล์มนาโนลามิเนตและซูเปอร์แลตติคเนื่องจากความผิดปกติของโครงสร้างและส่วนต่อประสานที่มีความหนาแน่นสูง หรือผ่านเส้นลวดนาโนของซิลิคอนและเจอร์เมเนียมเนื่องจากการกระเจิงของโฟนอนที่รุนแรง

สำหรับวิธีการฉนวนกันความร้อนหลายวิธีที่อธิบายไว้ข้างต้น นักวิทยาศาสตร์พร้อมที่จะระบุคุณสมบัติของวัสดุสองมิติอย่างมั่นใจ ซึ่งมีความหนาไม่เกินหลายอะตอม ซึ่งทำให้ง่ายต่อการควบคุมในระดับอะตอม ในการศึกษาพวกเขาใช้ ฟาน เดอร์ วาลส์ (vdW) การประกอบชั้น 2D ที่บางเป็นอะตอมเพื่อให้ได้ความต้านทานความร้อนที่สูงมากตลอดทั้งโครงสร้างเฮเทอโร

กองกำลังฟาน เดอร์ วาลส์* — แรงอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุล/ระหว่างอะตอมที่มีพลังงาน 10-20 kJ/mol

เทคนิคใหม่นี้ทำให้สามารถรับความต้านทานความร้อนในโครงสร้างเฮเทอโรโครงสร้าง vdW หนา 2 นาโนเมตร ซึ่งเทียบได้กับความต้านทานในชั้น SiO2 (ซิลิคอนไดออกไซด์) หนา 300 นาโนเมตร

นอกจากนี้ การใช้โครงสร้างเฮเทอโรโครงสร้าง vdW ทำให้สามารถควบคุมคุณสมบัติทางความร้อนในระดับอะตอมได้ ผ่านการซ้อนชั้นของชั้นเดียว XNUMX มิติที่ต่างกันซึ่งมีความหนาแน่นของมวลอะตอมและโหมดการสั่นสะเทือนที่แตกต่างกัน

ดังนั้นอย่าดึงหนวดแมวและมาเริ่มพิจารณาผลลัพธ์ของการวิจัยที่น่าทึ่งนี้กันดีกว่า

ผลการศึกษา

ก่อนอื่น เรามาทำความรู้จักกับคุณลักษณะทางโครงสร้างจุลภาคและเชิงแสงของโครงสร้างเฮเทอโรโครงสร้าง vdW ที่ใช้ในการศึกษานี้ก่อน

รูปภาพ #1

บนภาพ 1a แสดงแผนภาพหน้าตัดของโครงสร้างเฮเทอโรสี่ชั้นที่ประกอบด้วย (จากบนลงล่าง): กราฟีน (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 และสารตั้งต้น SiO2/Si หากต้องการสแกนทุกเลเยอร์พร้อมกัน ให้ใช้ รามานเลเซอร์* ด้วยความยาวคลื่น 532 นาโนเมตร

รามานเลเซอร์* - เลเซอร์ชนิดหนึ่งซึ่งมีกลไกหลักของการขยายแสงคือการกระเจิงแบบรามาน

รามันกระจัดกระจายในทางกลับกันคือการกระเจิงของรังสีแสงที่ไม่ยืดหยุ่นบนโมเลกุลของสารซึ่งมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงความถี่ของการแผ่รังสีอย่างมีนัยสำคัญ

มีการใช้วิธีการหลายวิธีเพื่อยืนยันความเป็นเนื้อเดียวกันทางโครงสร้างจุลภาค ความร้อน และไฟฟ้าของโครงสร้างเฮเทอโร: กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านแบบสแกน (STEM), โฟโตลูมิเนสเซนซ์สเปกโทรสโกปี (PL), กล้องจุลทรรศน์เคลวินโพรบ (KPM), กล้องจุลทรรศน์ความร้อนแบบสแกน (SThM) เช่นเดียวกับรามานสเปกโทรสโกปีและ เทอร์โมมิเตอร์

ภาพ 1b แสดงให้เราเห็นสเปกตรัมรามันของโครงสร้างเฮเทอโร Gr / MoSe2 / MoS2 / WSe22 บนพื้นผิว SiO2 / Si ที่ตำแหน่งที่มีเครื่องหมายจุดสีแดง โครงเรื่องนี้แสดงลายเซ็นของแต่ละชั้นเดียวในอาเรย์เลเยอร์ เช่นเดียวกับลายเซ็นของสารตั้งต้น Si

На 1c-1f ภาพ STEM แบบสนามมืดของโครงสร้างเฮเทอโร Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 แสดงขึ้น (1s) และโครงสร้างเฮเทอโร Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) ด้วยการวางแนวขัดแตะที่แตกต่างกัน ภาพ STEM แสดงช่องว่าง vdW ที่ปิดสนิทโดยอะตอมโดยไม่มีการปนเปื้อนใดๆ ช่วยให้มองเห็นความหนาโดยรวมของโครงสร้างเฮเทอโรเหล่านี้ได้อย่างสมบูรณ์ การมีอยู่ของการเชื่อมต่อระหว่างชั้นยังได้รับการยืนยันในพื้นที่การสแกนขนาดใหญ่โดยใช้สเปกโทรสโกปีโฟโตลูมิเนสเซนซ์ (PL) (1g). สัญญาณโฟโตลูมิเนสเซนต์ของแต่ละชั้นภายในโครงสร้างเฮเทอโรถูกระงับอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเปรียบเทียบกับสัญญาณของชั้นเดียวที่แยกได้ สิ่งนี้อธิบายได้ด้วยกระบวนการถ่ายโอนประจุระหว่างชั้นเนื่องจากการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างชั้นอย่างใกล้ชิด ซึ่งจะยิ่งแข็งแกร่งขึ้นหลังจากการหลอม

รูปภาพ #2

เพื่อที่จะวัดการไหลของความร้อนที่ตั้งฉากกับระนาบอะตอมของโครงสร้างเฮเทอโร โครงสร้างอาร์เรย์ของชั้นต่างๆ จึงมีโครงสร้างในรูปแบบของอุปกรณ์ไฟฟ้าสี่โพรบ ชั้นบนสุดของกราฟีนสัมผัสกับอิเล็กโทรดแพลเลเดียม (Pd) และใช้เป็นเครื่องทำความร้อนสำหรับการวัดค่าเทอร์โมมิเตอร์แบบรามัน

วิธีการให้ความร้อนด้วยไฟฟ้านี้ให้ปริมาณกำลังไฟฟ้าเข้าที่แม่นยำ วิธีการให้ความร้อนที่เป็นไปได้อีกวิธีหนึ่งซึ่งก็คือแบบออปติกนั้นยากต่อการนำไปใช้เนื่องจากไม่มีสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงของแต่ละชั้น

На 2a แสดงวงจรการวัดแบบสี่โพรบ และ 2b แสดงมุมมองด้านบนของโครงสร้างที่กำลังทดสอบ กำหนดการ 2s แสดงคุณลักษณะการถ่ายเทความร้อนที่วัดได้สำหรับอุปกรณ์สามเครื่อง โดยเครื่องหนึ่งมีเพียงกราฟีนเท่านั้น และอีกสองเครื่องมีอาร์เรย์เลเยอร์ Gr/WSe22 และ Gr/MoSe2/WSe22 ตัวแปรทั้งหมดแสดงให้เห็นถึงพฤติกรรมแบบแอมโพลาร์ของกราฟีน ซึ่งสัมพันธ์กับการไม่มีช่องว่างของแถบความถี่

นอกจากนี้ยังพบว่าการนำไฟฟ้าและความร้อนเกิดขึ้นในชั้นบน (กราฟีน) เนื่องจากค่าการนำไฟฟ้าของมันมีขนาดที่สูงกว่า MoS2 และ WSe22 หลายระดับ

เพื่อแสดงให้เห็นความเป็นเนื้อเดียวกันของอุปกรณ์ที่ทดสอบ การวัดได้ดำเนินการโดยใช้กล้องจุลทรรศน์เคลวินโพรบ (KPM) และกล้องจุลทรรศน์ความร้อนแบบสแกน (SThM) บนแผนภูมิ 2d การวัด KPM จะแสดงขึ้นเพื่อเผยให้เห็นการกระจายศักย์เชิงเส้น ผลลัพธ์ของการวิเคราะห์ SThM แสดงไว้ใน 2e. ที่นี่เราเห็นแผนที่ของช่อง Gr/MoS2/WSe22 ที่ให้ความร้อนด้วยไฟฟ้า รวมถึงการมีความสม่ำเสมอในการทำความร้อนที่พื้นผิว

เทคนิคการสแกนที่อธิบายไว้ข้างต้น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง SThM ได้ยืนยันความเป็นเนื้อเดียวกันของโครงสร้างภายใต้การศึกษา ซึ่งก็คือความเป็นเนื้อเดียวกันในแง่ของอุณหภูมิ ขั้นตอนต่อไปคือการหาปริมาณอุณหภูมิของแต่ละชั้นที่เป็นส่วนประกอบโดยใช้รามันสเปกโทรสโกปี (เช่น รามันสเปกโทรสโกปี)

อุปกรณ์ทั้งสามได้รับการทดสอบ โดยแต่ละอุปกรณ์มีพื้นที่ประมาณ ~40 µm2 ในกรณีนี้ กำลังเครื่องทำความร้อนเปลี่ยนไป 9 mW และกำลังเลเซอร์ที่ดูดซับอยู่ต่ำกว่า ~5 μW โดยมีพื้นที่จุดเลเซอร์ที่ ~0.5 μm2

รูปภาพ #3

บนชาร์ต 3a การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ (∆T) ของแต่ละชั้นและสารตั้งต้นสามารถมองเห็นได้เมื่อกำลังเครื่องทำความร้อนในโครงสร้างเฮเทอโร Gr / MoS2 / WSe22 เพิ่มขึ้น

ความชันของฟังก์ชันเชิงเส้นสำหรับวัสดุแต่ละชิ้น (ชั้น) บ่งบอกถึงความต้านทานความร้อน (Rth=∆T/P) ระหว่างแต่ละชั้นและแผงระบายความร้อน ด้วยการกระจายความร้อนที่สม่ำเสมอทั่วพื้นที่ จึงสามารถวิเคราะห์ความต้านทานความร้อนได้อย่างง่ายดายจากด้านล่างถึงชั้นบนสุด ในระหว่างนี้ค่าของพวกมันจะถูกทำให้เป็นมาตรฐานโดยพื้นที่ช่องสัญญาณ (WL)

L และ W คือความยาวและความกว้างของช่องสัญญาณ ซึ่งมากกว่าความหนาของซับสเตรต SiO2 และความยาวการให้ความร้อนด้านข้างซึ่งอยู่ที่ ~0.1 μm อย่างมีนัยสำคัญ

ดังนั้นเราจึงได้สูตรความต้านทานความร้อนของสารตั้งต้น Si ซึ่งจะมีลักษณะดังนี้:

รธ,ศรี µ (WL)1/2 / (2kศรี)

ในสถานการณ์นี้ kSi µ 90 W m−1 K−1 ซึ่งเป็นค่าการนำความร้อนที่คาดหวังของสารตั้งต้นที่มีการเจือสูงดังกล่าว

ความแตกต่างระหว่าง Rth, WSe2 และ Rth, Si คือผลรวมของความต้านทานความร้อนของ SiO2 ที่มีความหนา 100 นาโนเมตร และความต้านทานขอบเขตความร้อน (TBR) ของอินเทอร์เฟซ WSe2/SiO2

เมื่อนำแง่มุมข้างต้นทั้งหมดมารวมกัน เราสามารถกำหนดได้ว่า Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2 และ Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2 ดังนั้นจากกราฟ 3a สามารถดึงค่า TBR สำหรับแต่ละอินเทอร์เฟซ WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 และ Gr/MoS2 ได้

ต่อไป นักวิทยาศาสตร์ได้เปรียบเทียบความต้านทานความร้อนรวมของโครงสร้างเฮเทอโรทั้งหมด โดยวัดโดยใช้รามันสเปกโทรสโกปีและกล้องจุลทรรศน์ความร้อน (3b).

โครงสร้างเฮเทอโรแบบสองชั้นและแบบไตรชั้นบน SiO2 แสดงความต้านทานความร้อนที่มีประสิทธิผลในช่วง 220 ถึง 280 m2 K/GW ที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งเทียบเท่ากับความต้านทานความร้อนของ SiO2 ที่มีความหนา 290 ถึง 360 นาโนเมตร แม้ว่าความหนาของโครงสร้างที่แตกต่างกันภายใต้การศึกษาจะไม่เกิน 2 นาโนเมตร (1d-1f) ค่าการนำความร้อนคือ 0.007-0.009 W m−1 K−1 ที่อุณหภูมิห้อง

รูปภาพ #4

ภาพที่ 4 แสดงการวัดโครงสร้างทั้งสี่และค่าการนำขอบเขตความร้อน (TBC) ของส่วนต่อประสาน ซึ่งช่วยให้เราสามารถประเมินระดับอิทธิพลของแต่ละชั้นต่อความต้านทานความร้อนที่วัดก่อนหน้านี้ (TBC = 1 / TBR)

นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่านี่เป็นการวัด TBC ครั้งแรกสำหรับการเชื่อมต่อแบบอะตอมมิกระหว่างชั้นเดียวที่แยกจากกัน (2D/2D) โดยเฉพาะระหว่างชั้นเดียว WSe2 และ SiO2

TBC ของอินเทอร์เฟซ WSe2/SiO2 แบบชั้นเดียวนั้นต่ำกว่าของอินเทอร์เฟซ WSe2/SiO2 แบบหลายชั้น ซึ่งไม่น่าแปลกใจเลยเนื่องจากชั้นเดียวมีโหมดโฟนอนแบบโค้งงอน้อยกว่าอย่างเห็นได้ชัดสำหรับการส่งผ่าน พูดง่ายๆ ก็คือ TBC ของอินเทอร์เฟซระหว่างเลเยอร์ 2D นั้นต่ำกว่า TBC ของอินเทอร์เฟซระหว่างเลเยอร์ 2D และซับสเตรต 3D SiO2 (4b).

สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับความแตกต่างของการศึกษาฉันขอแนะนำให้ดู รายงานของนักวิทยาศาสตร์ и วัสดุเพิ่มเติม ให้เขา.

ถ้อยคำส

ตามที่นักวิทยาศาสตร์อ้างว่างานวิจัยนี้ทำให้เรามีความรู้ที่สามารถนำไปใช้ในการใช้งานอินเทอร์เฟซการระบายความร้อนของอะตอมได้ งานนี้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการสร้างวัสดุที่เป็นฉนวนความร้อนซึ่งไม่พบคุณสมบัติในธรรมชาติ นอกจากนี้ การศึกษายังยืนยันความเป็นไปได้ในการวัดอุณหภูมิที่แม่นยำของโครงสร้างดังกล่าว แม้จะมีขนาดอะตอมของชั้นก็ตาม

โครงสร้างที่แตกต่างที่อธิบายไว้ข้างต้นสามารถกลายเป็นพื้นฐานสำหรับ "เกราะ" ระบายความร้อนที่เบาเป็นพิเศษและกะทัดรัด ซึ่งสามารถยกตัวอย่าง เช่น การขจัดความร้อนจากจุดร้อนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ นอกจากนี้ เทคโนโลยีนี้สามารถใช้กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกหรืออุปกรณ์ควบคุมความร้อนได้ ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน

การศึกษาครั้งนี้ยืนยันอีกครั้งว่าวิทยาศาสตร์สมัยใหม่มีความสนใจอย่างจริงจังในหลักการของ "ประสิทธิภาพในปลอกนิ้ว" ซึ่งไม่สามารถเรียกว่าเป็นความคิดที่โง่เขลาได้ เนื่องจากทรัพยากรที่มีอยู่อย่างจำกัดของโลกและความต้องการนวัตกรรมทางเทคโนโลยีทุกประเภทที่เติบโตอย่างต่อเนื่อง

ขอบคุณสำหรับความสนใจ อยากรู้อยากเห็นและมีสัปดาห์ที่ดีทุกคน! 🙂

ขอบคุณที่อยู่กับเรา คุณชอบบทความของเราหรือไม่? ต้องการดูเนื้อหาที่น่าสนใจเพิ่มเติมหรือไม่ สนับสนุนเราโดยการสั่งซื้อหรือแนะนำให้เพื่อน ส่วนลด 30% สำหรับผู้ใช้ Habr ในอะนาล็อกที่ไม่ซ้ำใครของเซิร์ฟเวอร์ระดับเริ่มต้น ซึ่งเราคิดค้นขึ้นเพื่อคุณ: ความจริงทั้งหมดเกี่ยวกับ VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps จาก $20 หรือจะแชร์เซิร์ฟเวอร์ได้อย่างไร (ใช้ได้กับ RAID1 และ RAID10 สูงสุด 24 คอร์ และสูงสุด 40GB DDR4)

Dell R730xd ถูกกว่า 2 เท่า? ที่นี่ที่เดียวเท่านั้น 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ทีวีจาก $199 ในเนเธอร์แลนด์! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - จาก $99! อ่านเกี่ยวกับ วิธีสร้างบริษัทโครงสร้างพื้นฐาน ระดับด้วยการใช้เซิร์ฟเวอร์ Dell R730xd E5-2650 v4 มูลค่า 9000 ยูโรต่อเพนนี?

ที่มา: will.com