Maraming mga manlalaro sa buong mundo na nakaranas ng panahon ng Xbox 360 ay pamilyar sa sitwasyon nang ang kanilang console ay naging isang kawali kung saan maaari silang magprito ng mga itlog. Ang isang katulad na malungkot na sitwasyon ay nangyayari hindi lamang sa mga game console, kundi pati na rin sa mga telepono, laptop, tablet at marami pa. Sa prinsipyo, halos anumang elektronikong aparato ay maaaring makaranas ng thermal shock, na maaaring humantong hindi lamang sa pagkabigo at pagkabigo ng may-ari nito, kundi pati na rin sa "masamang boom" ng baterya at malubhang pinsala. Ngayon ay makikilala natin ang isang pag-aaral kung saan ang mga siyentipiko mula sa Stanford University, tulad ni Nick Fury mula sa komiks, ay lumikha ng isang kalasag na nagpoprotekta sa sensitibong init na mga bahagi ng elektroniko mula sa sobrang init at, bilang resulta, pinipigilan ang kanilang pagkasira. Paano nagawa ng mga siyentipiko na lumikha ng isang thermal shield, ano ang mga pangunahing bahagi nito at gaano ito kabisa? Nalaman namin ang tungkol dito at higit pa mula sa ulat ng pangkat ng pananaliksik. Pumunta ka.
Batayan sa pananaliksik
Ang problema ng overheating ay kilala sa napakatagal na panahon, at nilulutas ito ng mga siyentipiko sa iba't ibang paraan. Ang ilan sa mga pinakasikat ay ang paggamit ng salamin, plastik at kahit na mga layer ng hangin, na nagsisilbing isang uri ng mga insulator ng thermal radiation. Sa modernong mga katotohanan, ang pamamaraang ito ay maaaring mapabuti sa pamamagitan ng pagbabawas ng kapal ng proteksiyon na layer sa ilang mga atom nang hindi nawawala ang mga katangian ng thermal insulation nito. Iyon mismo ang ginawa ng mga mananaliksik.
Siyempre, pinag-uusapan natin ang tungkol sa mga nanomaterial. Gayunpaman, ang kanilang paggamit sa thermal insulation ay dati nang kumplikado sa pamamagitan ng katotohanan na ang wavelength ng mga coolant (phonon*) ay makabuluhang mas maikli kaysa sa mga electron o photon.
Phonon* - isang quasiparticle, na isang quantum ng vibrational motion ng mga atomo ng kristal.
Bilang karagdagan, dahil sa katangian ng bosonic ng mga phonon, imposibleng kontrolin ang mga ito sa pamamagitan ng boltahe (tulad ng ginagawa sa mga carrier ng singil), na sa pangkalahatan ay nagpapahirap na kontrolin ang paglipat ng init sa mga solido.
Noong nakaraan, ang mga thermal properties ng solids, gaya ng ipinaalala sa amin ng mga mananaliksik, ay kinokontrol sa pamamagitan ng nanolaminate films at superlattices dahil sa structural disorder at high density interface, o sa pamamagitan ng silicon at germanium nanowires dahil sa malakas na phonon scattering.
Sa isang bilang ng mga pamamaraan ng thermal insulation na inilarawan sa itaas, ang mga siyentipiko ay may kumpiyansa na handa na ipatungkol ang dalawang-dimensional na materyales, ang kapal nito ay hindi lalampas sa ilang mga atomo, na ginagawang madali silang kontrolin sa isang atomic scale. Sa kanilang pag-aaral ay ginamit nila van der Waals (vdW) na pagpupulong ng atomically thin 2D layers upang makamit ang napakataas na thermal resistance sa kabuuan ng kanilang heterostructure.
Mga puwersa ng Van der Waals* β mga puwersa ng intermolecular/interatomic na pakikipag-ugnayan na may enerhiya na 10-20 kJ/mol.
Ang bagong pamamaraan ay naging posible upang makakuha ng thermal resistance sa isang 2 nm makapal na vdW heterostructure na maihahambing sa isang 2 nm makapal na SiO300 (silicon dioxide) na layer.
Bilang karagdagan, ang paggamit ng mga vdW heterostructure ay naging posible upang makakuha ng kontrol sa mga thermal properties sa atomic level sa pamamagitan ng layering ng heterogenous XNUMXD monolayers na may iba't ibang atomic mass density at vibrational mode.
Kaya, huwag nating hilahin ang mga balbas ng pusa at simulan nating isaalang-alang ang mga resulta ng kamangha-manghang pananaliksik na ito.
Mga resulta ng pananaliksik
Una sa lahat, kilalanin natin ang mga microstructural at optical na katangian ng vdW heterostructure na ginamit sa pag-aaral na ito.
Larawan #1
Sa larawan 1 ay nagpapakita ng isang cross-sectional diagram ng isang apat na layer na heterostructure na binubuo ng (mula sa itaas hanggang sa ibaba): graphene (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 at isang SiO2/Si substrate. Upang i-scan ang lahat ng mga layer nang sabay-sabay, gamitin Raman laser* na may wavelength na 532 nm.
Raman laser* - isang uri ng laser kung saan ang pangunahing mekanismo ng light amplification ay Raman scattering.
Pagkalat ng Raman, sa turn, ay ang inelastic scattering ng optical radiation sa mga molecule ng isang substance, na sinamahan ng isang makabuluhang pagbabago sa dalas ng radiation.
Ilang pamamaraan ang ginamit upang kumpirmahin ang microstructural, thermal at electrical homogeneity ng heterostructure: scanning transmission electron microscopy (STEM), photoluminescence spectroscopy (PL), Kelvin probe microscopy (KPM), scanning thermal microscopy (SThM), pati na rin ang Raman spectroscopy at thermometry .
ΠΠ·ΠΎΠ±ΡΠ°ΠΆΠ΅Π½ΠΈΠ΅ 1b ipinapakita sa amin ang Raman spectrum ng isang Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 heterostructure sa isang SiO2/Si substrate sa lokasyong minarkahan ng pulang tuldok. Ipinapakita ng plot na ito ang signature ng bawat monolayer sa layer array, pati na rin ang signature ng Si substrate.
Sa 1c-1f Ang dark-field STEM na mga imahe ng Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 heterostructure ay ipinapakita (1s) at Gr/MoS2/WSe22 heterostructure (1d-1f) na may iba't ibang oryentasyon ng sala-sala. Ang mga STEM na imahe ay nagpapakita ng atomically close vdW gaps nang walang anumang kontaminasyon, na nagpapahintulot sa kabuuang kapal ng mga heterostructure na ito na ganap na makita. Ang pagkakaroon ng interlayer coupling ay nakumpirma rin sa malalaking lugar ng pag-scan gamit ang photoluminescence (PL) spectroscopy (1g). Ang signal ng photoluminescent ng mga indibidwal na layer sa loob ng heterostructure ay makabuluhang pinigilan kumpara sa signal ng isang nakahiwalay na monolayer. Ito ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng proseso ng paglipat ng singil ng interlayer dahil sa malapit na interlayer na pakikipag-ugnayan, na nagiging mas malakas pagkatapos ng pagsusubo.
Larawan #2
Upang masukat ang daloy ng init na patayo sa mga atomic na eroplano ng heterostructure, ang hanay ng mga layer ay nakabalangkas sa anyo ng mga four-probe na de-koryenteng aparato. Ang tuktok na layer ng graphene ay nakikipag-ugnayan sa mga electrodes ng palladium (Pd) at ginagamit bilang pampainit para sa mga sukat ng thermometry ng Raman.
Ang paraan ng pag-init ng kuryente ay nagbibigay ng tumpak na dami ng kapangyarihan ng pag-input. Ang isa pang posibleng paraan ng pag-init, optical, ay magiging mas mahirap na ipatupad dahil sa kamangmangan ng mga coefficient ng pagsipsip ng mga indibidwal na layer.
Sa 2 nagpapakita ng four-probe measurement circuit, at 2b nagpapakita ng tuktok na view ng istrakturang sinusuri. Iskedyul 2s nagpapakita ng mga sinusukat na katangian ng paglipat ng init para sa tatlong device, ang isa ay naglalaman lamang ng graphene at dalawang naglalaman ng mga array ng layer ng Gr/WSe22 at Gr/MoSe2/WSe22. Ang lahat ng mga variant ay nagpapakita ng ambipolar na pag-uugali ng graphene, na nauugnay sa kawalan ng isang banda gap.
Napag-alaman din na ang kasalukuyang pagpapadaloy at pag-init ay nangyayari sa itaas na layer (graphene), dahil ang electrical conductivity nito ay ilang mga order ng magnitude na mas mataas kaysa sa MoS2 at WSe22.
Upang ipakita ang homogeneity ng nasubok na mga aparato, ang mga sukat ay kinuha gamit ang Kelvin probe microscopy (KPM) at pag-scan ng thermal microscopy (SThM). Sa tsart 2d Ang mga sukat ng KPM ay ipinapakita na nagpapakita ng linear na potensyal na pamamahagi. Ang mga resulta ng pagsusuri ng SThM ay ipinapakita sa 2. Dito nakikita natin ang isang mapa ng mga electrically heated na Gr/MoS2/WSe22 na mga channel, pati na rin ang pagkakaroon ng pagkakapareho sa pag-init sa ibabaw.
Ang mga diskarte sa pag-scan na inilarawan sa itaas, sa partikular na SThM, ay nakumpirma ang homogeneity ng istraktura sa ilalim ng pag-aaral, iyon ay, homogeneity nito, sa mga tuntunin ng mga temperatura. Ang susunod na hakbang ay ang pag-quantify ng temperatura ng bawat isa sa mga constituent layer gamit ang Raman spectroscopy (i.e., Raman spectroscopy).
Sinuri ang lahat ng tatlong device, bawat isa ay may lawak na ~40 Β΅m2. Sa kasong ito, ang heater power ay nagbago ng 9 mW, at ang absorbed laser power ay mas mababa sa ~5 ΞΌW na may laser spot area na ~0.5 ΞΌm2.
Larawan #3
Sa tsart 3 ang pagtaas ng temperatura (βT) ng bawat layer at substrate ay makikita habang tumataas ang heater power sa Gr/MoS2/WSe22 heterostructure.
Ang mga slope ng linear function para sa bawat materyal (layer) ay nagpapahiwatig ng thermal resistance (Rth=βT/P) sa pagitan ng indibidwal na layer at ng heat sink. Dahil sa pare-parehong pamamahagi ng pag-init sa lugar, ang mga thermal resistance ay madaling masuri mula sa ibaba hanggang sa tuktok na layer, kung saan ang kanilang mga halaga ay na-normalize ng channel area (WL).
Ang L at W ay ang haba at lapad ng channel, na higit na malaki kaysa sa kapal ng substrate ng SiO2 at ang haba ng lateral thermal heating, na ~0.1 ΞΌm.
Samakatuwid, maaari nating makuha ang formula para sa thermal resistance ng Si substrate, na magiging ganito:
Rth,Si β (WL)1/2 / (2kSi)
Sa sitwasyong ito kSi β 90 W mβ1 Kβ1, na siyang inaasahang thermal conductivity ng naturang highly doped substrate.
Ang pagkakaiba sa pagitan ng Rth,WSe2 at Rth,Si ay ang kabuuan ng thermal resistance ng 2 nm makapal na SiO100 at ang thermal boundary resistance (TBR) ng interface ng WSe2/SiO2.
Pagsasama-sama ng lahat ng aspeto sa itaas, maitatatag natin na ang Rth,MoS2 β Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, at Rth,Gr β Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Samakatuwid, mula sa graph 3 posibleng kunin ang halaga ng TBR para sa bawat isa sa mga interface ng WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 at Gr/MoS2.
Susunod, inihambing ng mga siyentipiko ang kabuuang thermal resistance ng lahat ng heterostructure, na sinusukat gamit ang Raman spectroscopy at thermal microscopy (3b).
Ang bilayer at trilayer heterostructure sa SiO2 ay nagpakita ng epektibong thermal resistance sa hanay na 220 hanggang 280 m2 K/GW sa temperatura ng silid, na katumbas ng thermal resistance ng SiO2 na may kapal na 290 hanggang 360 nm. Sa kabila ng katotohanan na ang kapal ng heterostructure sa ilalim ng pag-aaral ay hindi lalampas sa 2 nm (1d-1f), ang kanilang thermal conductivity ay 0.007-0.009 W mβ1 Kβ1 sa room temperature.
Larawan #4
Ipinapakita ng Larawan 4 ang mga sukat ng lahat ng apat na istruktura at ang thermal boundary conductivity (TBC) ng kanilang mga interface, na nagbibigay-daan sa amin upang suriin ang antas ng impluwensya ng bawat layer sa naunang sinusukat na thermal resistance (TBC = 1 / TBR).
Napansin ng mga mananaliksik na ito ang kauna-unahang pagsukat ng TBC para sa mga atomically close na interface sa pagitan ng mga hiwalay na monolayer (2D/2D), partikular sa pagitan ng WSe2 at SiO2 monolayer.
Ang TBC ng isang monolayer na WSe2/SiO2 na interface ay mas mababa kaysa sa isang multilayer na WSe2/SiO2 na interface, na hindi nakakagulat dahil ang monolayer ay may makabuluhang mas kaunting mga bending phonon mode na magagamit para sa paghahatid. Sa madaling salita, ang TBC ng interface sa pagitan ng 2D layers ay mas mababa kaysa sa TBC ng interface sa pagitan ng 2D layer at ng 3D SiO2 substrate (4b).
Para sa isang mas detalyadong kakilala sa mga nuances ng pag-aaral, inirerekumenda ko ang pagtingin sa ΠΈ sa kanya.
Epilogo
Ang pananaliksik na ito, gaya ng sinasabi ng mga siyentipiko mismo, ay nagbibigay sa atin ng kaalaman na maaaring magamit sa pagpapatupad ng mga atomic thermal interface. Ang gawaing ito ay nagpakita ng posibilidad na lumikha ng heat-insulating metamaterial na ang mga katangian ay hindi matatagpuan sa kalikasan. Bilang karagdagan, kinumpirma din ng pag-aaral ang posibilidad na magsagawa ng tumpak na mga sukat ng temperatura ng naturang mga istruktura, sa kabila ng atomic scale ng mga layer.
Ang mga heterostructure na inilarawan sa itaas ay maaaring maging batayan para sa ultra-light at compact thermal "shields", na may kakayahang, halimbawa, sa pag-alis ng init mula sa mga hot spot sa electronics. Bilang karagdagan, ang teknolohiyang ito ay maaaring gamitin sa mga thermoelectric generator o thermally controlled device, na nagpapataas ng kanilang performance.
Ang pag-aaral na ito ay muling nagpapatunay na ang modernong agham ay seryosong interesado sa prinsipyo ng "kahusayan sa isang didal," na hindi matatawag na isang hangal na ideya, dahil sa limitadong mga mapagkukunan ng planeta at ang patuloy na paglaki ng demand para sa lahat ng uri ng mga makabagong teknolohiya.
Salamat sa iyong pansin, manatiling mausisa at magkaroon ng magandang linggo sa lahat! π
Salamat sa pananatili sa amin. Gusto mo ba ang aming mga artikulo? Gustong makakita ng mas kawili-wiling nilalaman? Suportahan kami sa pamamagitan ng pag-order o pagrekomenda sa mga kaibigan, 30% na diskwento para sa mga gumagamit ng Habr sa isang natatanging analogue ng mga entry-level na server, na inimbento namin para sa iyo: (magagamit sa RAID1 at RAID10, hanggang 24 na core at hanggang 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 beses na mas mura? Dito lang sa Netherlands! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mula $99! Basahin ang tungkol sa
Pinagmulan: www.habr.com