Багатьом геймерам по всьому світу, що застав епоху Xbox 360, дуже знайома ситуація, коли їхня консоль перетворювалася на сковороду, на якій можна було смажити яєчню. Подібна сумна ситуація зустрічається не лише з ігровими консолями, а й з телефонами, ноутбуками, планшетами та багатьма іншими. У принципі, практично будь-яка електроніка може зазнавати теплового удару, що може призвести не тільки до її поломки та засмучених почуттів її власника, але й до «бада-бум» батареї та серйозних травм. Сьогодні ми з вами познайомимося з дослідженням, в якому вчені зі Стенфордського університету, як Нік Ф'юрі з коміксів, створили щит, що оберігає термочутливі деталі електроніки від перегріву і, як наслідок, запобігає їх поломці. Як вченим вдалося створити термо-щит, які його основні компоненти та наскільки він ефективний? Про це і не лише ми дізнаємось із доповіді дослідницької групи. Поїхали.
Основа дослідження
Проблема перегріву відома вже дуже давно, і вчені вирішують її різними способами. Одними з найпопулярніших вважається впровадження скла, пластику і навіть прошарків повітря, які є свого роду ізоляторами теплового випромінювання. У сучасних реаліях цей метод можна вдосконалити, зменшивши товщину захисного шару до кількох атомів, не втративши його термоізоляційних властивостей. Саме це дослідники й зробили.
Йдеться, звичайно ж, про наноматеріали. Однак їх застосування в термоізоляції раніше було ускладнене тим, що довжина хвилі теплоносіїв (фононів*) значно коротше, ніж у електронів або фотонів.
Фонон* — квазичастинка, що є квантом коливального руху атомів кристала.
Крім того, зважаючи на бозонну природу фононів, керувати ними за допомогою напруги (як це робиться з носіями заряду) неможливо, що в цілому ускладнює управління перенесенням тепла в твердих тілах.
Раніше управління термічними властивостями твердих тіл, як нам нагадують дослідники, здійснювалося за допомогою наноламінатних плівок і надграт за рахунок структурного розпорядження та високої щільності інтерфейсів або за допомогою кремнієвих та германієвих нанопроводів за рахунок сильного фононного розсіювання.
До ряду вищеописаних методів теплоізоляції вчені з упевненістю готові приписати двовимірні матеріали, товщина яких не перевищує кількох атомів, що дозволяє ними керувати в атомарному масштабі. У своєму дослідженні вони використали ван-дер-ваальсівську (vdW) складання атомарно тонких 2D-шарів для досягнення дуже високого теплового опору по всій їхній гетероструктурі.
Сили Ван-дер-Ваальса* - сили міжмолекулярної/міжтомної взаємодії з енергією 10-20 кДж/моль.
Нова методика дозволила отримати термічний опір в vdW гетероструктурі товщиною 2 нм, який можна порівняти з аналогічним у шарі SiO2 (діоксид кремнію) товщиною 300 нм.
Крім того, застосування vdW гетероструктур дозволило одержати контроль над термічними властивостями на атомарному рівні за допомогою нашарування гетерогенних двовимірних моношарів з різними атомними масовими щільностями та коливальними модами.
Отже, не тягтимемо кота за вуса і приступимо до розгляду результатів цього дивовижного дослідження.
Результати дослідження
Насамперед ознайомимося з мікроструктурними та оптичними характеристиками vdW гетероструктур, використаних у цьому дослідженні.
Зображення №1
На зображенні 1а показана схема поперечного перерізу чотиришарової гетероструктури, що складається з (згори донизу): графен (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 та підкладки з SiO2/Si. Для одночасного сканування всіх шарів використовується романівський лазер* з довжиною хвилі 532 нм.
Романівський лазер* - Тип лазера, в якому основним механізмом посилення світла є комбінаційне розсіювання.
Комбінаційне розсіювання світла, своєю чергою, це непружне розсіювання оптичного випромінювання на молекулах речовини, що супроводжується значною зміною частоти випромінювання.
Для підтвердження мікроструктурної, термічної та електричної однорідності гетероструктур було застосовано відразу кілька методів: скануюча електронна мікроскопія (STEM), що просвічує, фотолюмінесцентна спектроскопія (PL), зондова мікроскопія методом Кельвіна (KPM), скануюча теплова мікроскопія (SThM) .
Зображення 1b демонструє нам спектр комбінаційного розсіювання гетероструктури Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 на підкладці SiO2/Si у місці, позначеному червоною точкою. Даний графік показує сигнатуру кожного моношару в масиві шарів, а також сигнатуру Si-підкладки.
На 1c-1f показані темнопольні STEM знімки гетероструктури Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 (1с) та гетероструктури Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) з різними орієнтаціями решітки. STEM знімки показують атомно близькі проміжки vdW без будь-яких забруднень, що дозволяє цілком побачити загальну товщину цих гетероструктур. Також було підтверджено наявність міжшарового зв'язку та на великих площах сканування за допомогою фотолюмінесцентної (PL) спектроскопії (1g). Фотолюмінесцентний сигнал окремо взятих шарів усередині гетероструктури значно пригнічений порівняно із сигналом ізольованого моношару. Це пояснюється процесом міжшарової передачі заряду внаслідок тісної міжшарової взаємодії, яка стає ще сильнішою після відпалу.
Зображення №2
Щоб виміряти тепловий потік, перпендикулярний до атомних площин гетероструктури, масив шарів був структурований у формі чотиризондових електричних пристроїв. Верхній шар графену контактує з електродами з паладію (Pd) і використовується як нагрівач для вимірювань термометрії комбінаційного розсіювання.
Цей метод електричного нагрівання забезпечує точне кількісне визначення вхідної потужності. Інший можливий метод нагрівання, оптичний, був більш складним у реалізації через незнання коефіцієнтів поглинання окремо взятих шарів.
На 2а показано схему чотиризондового вимірювання, а на 2b показаний вид зверху структури, що тестується. Графік 2с показує виміряні характеристики передачі тепла для трьох пристроїв, один з яких містить тільки графен, а два масиви шарів Gr/WSe22 і Gr/MoSe2/WSe22. Усі варіанти демонструють амбіполярну поведінку графену, що пов'язано з відсутністю забороненої зони.
Також було встановлено, що провідність струму та нагрівання відбуваються у верхньому шарі (у графені), оскільки його електропровідність на кілька порядків вища, ніж у MoS2 та WSe22.
Для демонстрації однорідності пристроїв були проведені вимірювання за допомогою зондової мікроскопії методом Кельвіна (KPM) і скануючої теплової мікроскопії (SThM). На графіку 2d відображено KPM вимірювання з виявленням лінійного розподілу потенціалу. Результати SThM аналізу показані на 2є. Тут бачимо карту електрично нагрітих каналів Gr/MoS2/ WSe22, і навіть наявність рівномірності в нагріванні поверхні.
Описані вище техніки сканування, зокрема SThM, підтвердили однорідність досліджуваної структури, тобто її гомогенність, в аспекті температур. Наступним кроком стало кількісне визначення температури кожного із складових шарів, виконане за допомогою спектроскопії комбінаційного розсіювання (тобто раманівської спектроскопії).
Було перевірено всі три пристрої, площа кожного з яких становила ~40 мкм2. При цьому потужність нагрівача змінювалася на 9 мВт, а потужність поглиненого лазера була нижчою за ~5 мкВт при площі лазерної плями ~0.5 мкм2.
Зображення №3
На графіку 3а видно підвищення температури (∆T) кожного шару та підкладки у міру збільшення потужності нагрівача в гетероструктурі Gr/MoS2/WSe22.
Нахили лінійної функції для кожного матеріалу (шару) вказують на термічний опір (Rth=∆T/P) між окремим шаром і тепловідведенням. Враховуючи рівномірний розподіл нагріву площею, термічні опори досить просто проаналізувати від нижнього до верхнього шару, у процесі їх значення нормалізуються площею каналу (WL).
L і W є довжиною та шириною каналу, які значно перевищують товщину підкладки SiO2 та латеральну довжину термічного нагріву, яка дорівнює ~0.1 мкм.
Отже, можна вивести формулу термічного опору підкладки Si, яка виглядатиме так:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
В даному випадку kSi ≈ 90 Вт·м−1·K−1, що є очікуваною теплопровідністю подібної до високолегованої підкладки.
Різниця між Rth, WSe2 та Rth, Si є сумою термічного опору SiO2 товщиною 100 нм і граничного термічного опору (TBR) інтерфейсу WSe2/SiO2.
Склавши воєдино всі вищеописані аспекти, можна встановити, що Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2, а Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Отже, з графіка 3а можна отримати значення TBR для кожного з інтерфейсів WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 та Gr/MoS2.
Далі вчені порівняли загальний термічний опір усіх гетероструктур, виміряний за допомогою раманівської спектроскопії та термічної мікроскопії (3b).
Двошарові та тришарові гетероструктури на SiO2 продемонстрували ефективний термічний опір у діапазоні від 220 до 280 м2 · К/ГВт при кімнатній температурі, що еквівалентно термічного опору SiO2 товщиною від 290 до 360 нм. Незважаючи на те, що товщина досліджуваних гетероструктур не перевищує 2 нм (1d-1f), їх теплопровідність становить 0.007-0.009 Вт·м−1·K−1 за кімнатної температури.
Зображення №4
На зображенні №4 показані результати вимірювань всіх чотирьох структур та граничної термічної провідності (TBC) їх інтерфейсів, що дозволяє оцінити ступінь впливу кожного з шарів на раніше виміряний термічний опір (TBC = 1 / TBR).
Дослідники відзначають, що це є першим в історії вимірюванням TBC для атомарно близьких інтерфейсів між окремими моношаров (2D/2D), зокрема між моношаров WSe2 і SiO2.
TBC моношарового інтерфейсу WSe2/SiO2 нижче, ніж у багатошарового WSe2/SiO2, що не дивно, тому що в моношарі значно менше згинальних фононних мод, доступних для передачі. Простіше кажучи, TBC інтерфейс між 2D шарами нижче, ніж TBC інтерфейс між 2D шаром і 3D підкладкою SiO2 (4b).
Для більш детального ознайомлення з нюансами дослідження рекомендую заглянути у и до нього.
Епілог
Дане дослідження, як стверджують вчені, дає нам знання, які можна застосувати в реалізації атомарних теплових інтерфейсів. Ця праця показала можливість створення теплоізолюючих метаматеріалів, властивості яких не зустрічаються у природі. Крім того, дослідження також підтвердило можливість проведення найточніших вимірювань температури таких структур, незважаючи на атомарний масштаб шарів.
Описані гетероструктури можуть стати основою надлегких і компактних теплових «щитів», здатних, наприклад, відводити тепло від гарячих точок в електроніці. Крім того, дана технологія може бути використана в термоелектричних генераторах або термічно керованих пристроях, підвищуючи їх продуктивність.
Дане дослідження вкотре підтверджує, що сучасна наука всерйоз захопилася принципом «ефективність у наперстки», що не можна назвати дурною витівкою, враховуючи обмеженість ресурсів планети і безперервне зростання попиту на різноманітні технологічні інновації.
Дякую за увагу, залишайтеся цікавими та хорошим всім робочого тижня, хлопці! 🙂
Дякую, що залишаєтеся з нами. Вам подобаються наші статті? Бажаєте бачити більше цікавих матеріалів? Підтримайте нас, оформивши замовлення або порекомендувавши знайомим, 30% знижка для користувачів Хабра на унікальний аналог entry-level серверів, який був винайдений нами для Вас: (Доступні варіанти з RAID1 і RAID10, до 24 ядер і до 40GB DDR4).
Dell R730xd у 2 рази дешевше? Тільки в нас у Нідерландах! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – від $99! Читайте про те
Джерело: habr.com