دنیا بھر کے بہت سے گیمرز جنہوں نے Xbox 360 دور کا تجربہ کیا ہے وہ اس صورتحال سے بہت واقف ہیں جب ان کا کنسول ایک فرائی پین میں تبدیل ہو گیا جس پر وہ انڈے فرائی کر سکتے تھے۔ ایسی ہی افسوسناک صورتحال نہ صرف گیم کنسولز کے ساتھ ہوتی ہے بلکہ فونز، لیپ ٹاپس، ٹیبلٹس اور بہت کچھ کے ساتھ بھی ہوتی ہے۔ اصولی طور پر، تقریباً کسی بھی الیکٹرانک ڈیوائس کو تھرمل جھٹکا لگ سکتا ہے، جو نہ صرف اس کی ناکامی اور اس کے مالک کو پریشان کر سکتا ہے، بلکہ بیٹری کی "خراب تیزی" اور سنگین چوٹ کا باعث بھی بن سکتا ہے۔ آج ہم ایک ایسی تحقیق سے واقف ہوں گے جس میں اسٹینفورڈ یونیورسٹی کے سائنسدانوں نے کامکس کے نک فیوری کی طرح ایک ایسی شیلڈ بنائی ہے جو گرمی سے حساس الیکٹرانک حصوں کو زیادہ گرم ہونے سے بچاتی ہے اور اس کے نتیجے میں ان کے ٹوٹنے سے بچاتی ہے۔ سائنسدانوں نے تھرمل شیلڈ بنانے کا انتظام کیسے کیا، اس کے اہم اجزاء کیا ہیں اور یہ کتنا موثر ہے؟ ہم تحقیقی گروپ کی رپورٹ سے اس اور مزید کے بارے میں سیکھتے ہیں۔ جاؤ.
تحقیق کی بنیاد
زیادہ گرمی کا مسئلہ کافی عرصے سے جانا جاتا ہے اور سائنسدان اسے مختلف طریقوں سے حل کرتے ہیں۔ کچھ سب سے زیادہ مقبول شیشے، پلاسٹک اور یہاں تک کہ ہوا کی تہوں کا استعمال ہیں، جو تھرمل ریڈی ایشن کے ایک قسم کے انسولیٹر کے طور پر کام کرتے ہیں۔ جدید حقائق میں، اس طریقہ کار کو حفاظتی تہہ کی موٹائی کو کئی ایٹموں تک کم کرکے اس کی تھرمل موصلیت کی خصوصیات کو کھوئے بغیر بہتر بنایا جا سکتا ہے۔ محققین نے بالکل ایسا ہی کیا۔
ہم یقیناً نینو میٹریلز کے بارے میں بات کر رہے ہیں۔ تاہم، تھرمل موصلیت میں ان کا استعمال پہلے اس حقیقت سے پیچیدہ تھا کہ کولنٹس کی طول موج (فونون*) الیکٹران یا فوٹون کے مقابلے میں نمایاں طور پر چھوٹا ہے۔
فونون* - ایک quasiparticle، جو کرسٹل ایٹموں کی کمپن حرکت کا ایک مقدار ہے۔
اس کے علاوہ، فونون کی بوسونک نوعیت کی وجہ سے، ان کو وولٹیج کے ذریعے کنٹرول کرنا ناممکن ہے (جیسا کہ چارج کیریئرز کے ساتھ کیا جاتا ہے)، جس کی وجہ سے عام طور پر ٹھوس میں حرارت کی منتقلی کو کنٹرول کرنا مشکل ہو جاتا ہے۔
اس سے پہلے، ٹھوس اشیاء کی تھرمل خصوصیات، جیسا کہ محققین ہمیں یاد دلاتے ہیں، ساختی خرابی اور اعلی کثافت والے انٹرفیس کی وجہ سے، یا مضبوط فونون بکھرنے کی وجہ سے سلیکون اور جرمینیئم نانوائرز کے ذریعے نینولامینیٹ فلموں اور سپر لیٹیسس کے ذریعے کنٹرول کیا جاتا تھا۔
اوپر بیان کیے گئے متعدد تھرمل موصلیت کے طریقوں کے لیے، سائنس دان اعتماد کے ساتھ دو جہتی مواد کو منسوب کرنے کے لیے تیار ہیں، جن کی موٹائی کئی ایٹموں سے زیادہ نہیں ہوتی، جس کی وجہ سے انھیں جوہری پیمانے پر کنٹرول کرنا آسان ہو جاتا ہے۔ اپنے مطالعہ میں انہوں نے استعمال کیا۔ وین ڈیر والز (vdW) جوہری طور پر پتلی 2D تہوں کی اسمبلی جو اپنے ہیٹرو سٹرکچر میں بہت زیادہ تھرمل مزاحمت حاصل کرتی ہے۔
وان ڈیر والز فورسز* - 10-20 kJ/mol کی توانائی کے ساتھ بین سالماتی/انٹراٹومک تعامل کی قوتیں۔
نئی تکنیک نے 2 nm موٹی SiO2 (سلیکن ڈائی آکسائیڈ) پرت کے مقابلے میں 300 nm موٹی vdW heterostructure میں تھرمل مزاحمت حاصل کرنا ممکن بنایا۔
اس کے علاوہ، vdW heterostructures کے استعمال نے مختلف ایٹمک ماس کثافت اور کمپن موڈز کے ساتھ متضاد XNUMXD monolayers کی تہہ بندی کے ذریعے جوہری سطح پر تھرمل خصوصیات پر کنٹرول حاصل کرنا ممکن بنایا ہے۔
تو آئیے بلی کی سرگوشیاں نہ کھینچیں اور آئیے اس حیرت انگیز تحقیق کے نتائج پر غور کرنا شروع کریں۔
تحقیق کے نتائج
سب سے پہلے، آئیے اس مطالعے میں استعمال ہونے والے vdW heterostructures کی مائیکرو اسٹرکچرل اور آپٹیکل خصوصیات سے واقف ہوں۔
تصویر #1
تصویر پر 1 (اوپر سے نیچے تک): گرافین (Gr)، MoSe2، MoS2، WSe22 اور ایک SiO2/Si سبسٹریٹ پر مشتمل چار پرتوں والے ہیٹرسٹرکچر کا ایک کراس سیکشنل خاکہ دکھاتا ہے۔ تمام تہوں کو بیک وقت اسکین کرنے کے لیے، استعمال کریں۔ رامن لیزر* 532 nm کی طول موج کے ساتھ۔
رامن لیزر* - لیزر کی ایک قسم جس میں روشنی کی افزائش کا بنیادی طریقہ کار رمن بکھرنا ہے۔
رمن بکھر رہا ہے۔، بدلے میں، کسی مادے کے مالیکیولز پر نظری تابکاری کا غیر لچکدار بکھرنا ہے، جو تابکاری کی فریکوئنسی میں نمایاں تبدیلی کے ساتھ ہے۔
مائیکرو اسٹرکچرل، تھرمل اور برقی یکسانیت کی تصدیق کے لیے کئی طریقے استعمال کیے گئے: ہیٹرو اسٹرکچرز کی اسکیننگ ٹرانسمیشن الیکٹران مائیکروسکوپی (STEM)، فوٹولومینیسینس اسپیکٹروسکوپی (PL)، Kelvin probe microscopy (KPM)، اسکیننگ تھرمل مائکروسکوپی (SThM)، نیز رامان اور اسپیکٹروسکوپی۔ تھرمامیٹری
Изображение 1b ہمیں سرخ نقطے سے نشان زد مقام پر SiO2/Si سبسٹریٹ پر Gr/MoSe2/MoS22/WSe2 heterostructure کا رامان سپیکٹرم دکھاتا ہے۔ یہ پلاٹ پرت سرنی میں ہر monolayer کے دستخط کے ساتھ ساتھ Si سبسٹریٹ کے دستخط دکھاتا ہے۔
پر 1c-1f Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 heterostructure کی تاریک فیلڈ STEM تصاویر دکھائی گئی ہیں (ایکس این ایم ایکس ایکس۔) اور Gr/MoS2/WSe22 heterostructures (1d-1f) مختلف جالی واقفیت کے ساتھ۔ STEM امیجز بغیر کسی آلودگی کے جوہری طور پر قریبی وی ڈی ڈبلیو خلا کو دکھاتی ہیں، جس سے ان ہیٹرسٹرکچرز کی مجموعی موٹائی مکمل طور پر نظر آتی ہے۔ فوٹو لومینیسینس (PL) سپیکٹروسکوپی کا استعمال کرتے ہوئے بڑے اسکیننگ والے علاقوں میں انٹرلیئر کپلنگ کی موجودگی کی بھی تصدیق کی گئی۔1g)۔ الگ تھلگ monolayer کے سگنل کے مقابلے میں heterostructure کے اندر انفرادی تہوں کے photoluminescent سگنل کو نمایاں طور پر دبایا جاتا ہے۔ اس کی وضاحت انٹرلیئر چارج ٹرانسفر کے عمل سے ہوتی ہے جس کی وجہ قریبی انٹر لیئر تعامل ہے، جو اینیلنگ کے بعد اور بھی مضبوط ہو جاتا ہے۔
تصویر #2
ہیٹرسٹرکچر کے ایٹم طیاروں پر کھڑے حرارت کے بہاؤ کی پیمائش کرنے کے لیے، تہوں کی صف کو چار تحقیقاتی برقی آلات کی شکل میں تشکیل دیا گیا تھا۔ گرافین کی سب سے اوپر کی تہہ پیلیڈیم (Pd) الیکٹروڈ سے رابطہ کرتی ہے اور اسے رمن تھرمومیٹری کی پیمائش کے لیے بطور ہیٹر استعمال کیا جاتا ہے۔
یہ برقی حرارتی طریقہ ان پٹ پاور کی درست مقدار فراہم کرتا ہے۔ حرارت کا ایک اور ممکنہ طریقہ، آپٹیکل، انفرادی تہوں کے جذب گتانک سے ناواقفیت کی وجہ سے لاگو کرنا زیادہ مشکل ہوگا۔
پر 2 چار تحقیقاتی پیمائش کا سرکٹ دکھاتا ہے، اور 2b ٹیسٹ کیے جانے والے ڈھانچے کا سب سے اوپر کا منظر دکھاتا ہے۔ شیڈول ایکس این ایم ایکس ایکس۔ تین آلات کے لیے حرارت کی منتقلی کی پیمائش کی خصوصیات دکھاتا ہے، ایک صرف گرافین پر مشتمل ہے اور دو Gr/WSe22 اور Gr/MoSe2/WSe22 پرت کی صفوں پر مشتمل ہے۔ تمام قسمیں گرافین کے ایمبی پولر رویے کو ظاہر کرتی ہیں، جو بینڈ گیپ کی عدم موجودگی سے وابستہ ہے۔
یہ بھی پایا گیا کہ کرنٹ کی ترسیل اور حرارت اوپری تہہ (گرافین) میں ہوتی ہے، کیونکہ اس کی برقی چالکتا MoS2 اور WSe22 سے کئی درجے زیادہ ہے۔
آزمائشی آلات کی یکسانیت کو ظاہر کرنے کے لیے، کیلون پروب مائکروسکوپی (KPM) اور اسکیننگ تھرمل مائکروسکوپی (SThM) کا استعمال کرتے ہوئے پیمائش کی گئی۔ چارٹ پر 2d KPM پیمائشیں لکیری ممکنہ تقسیم کو ظاہر کرتے ہوئے دکھائی دیتی ہیں۔ SThM تجزیہ کے نتائج اس میں دکھائے گئے ہیں۔ 2e. یہاں ہم برقی طور پر گرم Gr/MoS2/WSe22 چینلز کا نقشہ دیکھتے ہیں، نیز سطح حرارت میں یکسانیت کی موجودگی۔
اوپر بیان کردہ سکیننگ تکنیک، خاص طور پر SThM نے، زیر مطالعہ ساخت کی یکسانیت کی تصدیق کی، یعنی درجہ حرارت کے لحاظ سے اس کی یکسانیت۔ اگلا مرحلہ رامان سپیکٹروسکوپی (یعنی رامان سپیکٹروسکوپی) کا استعمال کرتے ہوئے ہر ایک جزو پرت کے درجہ حرارت کو درست کرنا تھا۔
تینوں آلات کی جانچ کی گئی، ہر ایک کا رقبہ ~40 µm2 ہے۔ اس صورت میں، ہیٹر پاور میں 9 میگاواٹ کی تبدیلی ہوئی، اور جذب شدہ لیزر پاور ~5 μm0.5 کے لیزر اسپاٹ ایریا کے ساتھ ~2 μW سے کم تھی۔
تصویر #3
چارٹ پر 3 Gr/MoS2/WSe22 heterostructure میں ہیٹر کی طاقت بڑھنے سے ہر پرت اور سبسٹریٹ کے درجہ حرارت (∆T) میں اضافہ نظر آتا ہے۔
ہر مواد (پرت) کے لیے لکیری فنکشن کی ڈھلوانیں انفرادی پرت اور ہیٹ سنک کے درمیان تھرمل مزاحمت (Rth=∆T/P) کی نشاندہی کرتی ہیں۔ علاقے میں حرارت کی یکساں تقسیم کو دیکھتے ہوئے، تھرمل مزاحمت کا نیچے سے اوپر کی تہہ تک آسانی سے تجزیہ کیا جا سکتا ہے، جس کے دوران ان کی قدریں چینل ایریا (WL) کے ذریعے معمول پر لائی جاتی ہیں۔
L اور W چینل کی لمبائی اور چوڑائی ہیں، جو SiO2 سبسٹریٹ کی موٹائی اور لیٹرل تھرمل ہیٹنگ کی لمبائی سے نمایاں طور پر زیادہ ہیں، جو ~0.1 μm ہے۔
لہذا، ہم سی سبسٹریٹ کے تھرمل مزاحمت کا فارمولہ اخذ کر سکتے ہیں، جو اس طرح نظر آئے گا:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kسی)
اس حالت میں kSi ≈ 90 W m−1 K−1، جو اس طرح کے انتہائی ڈوپڈ سبسٹریٹ کی متوقع تھرمل چالکتا ہے۔
Rth,WSe2 اور Rth,Si کے درمیان فرق 2 nm موٹی SiO100 کی تھرمل مزاحمت اور WSe2/SiO2 انٹرفیس کے تھرمل باؤنڈری ریزسٹنس (TBR) کا مجموعہ ہے۔
مندرجہ بالا تمام پہلوؤں کو ایک ساتھ رکھتے ہوئے، ہم یہ قائم کر سکتے ہیں کہ Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2، اور Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2۔ لہذا، گراف سے 3 WSe2/SiO2، MoS2/WSe2 اور Gr/MoS2 انٹرفیس میں سے ہر ایک کے لیے TBR قدر نکالنا ممکن ہے۔
اس کے بعد، سائنسدانوں نے تمام ہیٹرسٹرکچرز کی کل تھرمل مزاحمت کا موازنہ کیا، جس کی پیمائش رمن سپیکٹروسکوپی اور تھرمل مائکروسکوپی (3b).
SiO2 پر Bilayer اور trilayer heterostructures نے کمرے کے درجہ حرارت پر 220 سے 280 m2 K/GW کی حد میں موثر تھرمل مزاحمت کی نمائش کی، جو 2 سے 290 nm کی موٹائی کے ساتھ SiO360 کی تھرمل مزاحمت کے برابر ہے۔ اس حقیقت کے باوجود کہ زیر مطالعہ heterostructures کی موٹائی 2 nm سے زیادہ نہیں ہے (1d-1f)، ان کی تھرمل چالکتا کمرے کے درجہ حرارت پر 0.007-0.009 W m−1 K−1 ہے۔
تصویر #4
تصویر 4 چاروں ڈھانچے کی پیمائش اور ان کے انٹرفیس کی تھرمل باؤنڈری چالکتا (TBC) کو دکھاتا ہے، جو ہمیں پہلے سے ماپی گئی تھرمل مزاحمت (TBC = 1/TBR) پر ہر پرت کے اثر و رسوخ کی ڈگری کا اندازہ کرنے کی اجازت دیتا ہے۔
محققین نوٹ کرتے ہیں کہ یہ الگ الگ monolayers (2D/2D) کے درمیان جوہری طور پر قریبی انٹرفیس کے لیے TBC کی پہلی پیمائش ہے، خاص طور پر WSe2 اور SiO2 monolayers کے درمیان۔
monolayer WSe2/SiO2 انٹرفیس کا TBC ملٹی لیئر WSe2/SiO2 انٹرفیس سے کم ہے، جو کہ حیران کن نہیں ہے کیونکہ monolayer کے پاس ٹرانسمیشن کے لیے نمایاں طور پر کم موڑنے والے فونون موڈز موجود ہیں۔ سیدھے الفاظ میں، 2D تہوں کے درمیان انٹرفیس کا TBC 2D پرت اور 3D SiO2 سبسٹریٹ کے درمیان انٹرفیس کے TBC سے کم ہے (4b).
مطالعہ کی باریکیوں سے مزید تفصیلی واقفیت کے لیے، میں اسے دیکھنے کی تجویز کرتا ہوں۔ и اس کو.
اپسنہار
یہ تحقیق، جیسا کہ خود سائنسدانوں کا دعویٰ ہے، ہمیں وہ علم فراہم کرتا ہے جو ایٹم تھرمل انٹرفیس کے نفاذ میں استعمال کیا جا سکتا ہے۔ اس کام نے گرمی کو موصل کرنے والے میٹا میٹریل بنانے کا امکان ظاہر کیا جن کی خصوصیات فطرت میں نہیں پائی جاتی ہیں۔ اس کے علاوہ، مطالعہ نے تہوں کے جوہری پیمانے کے باوجود، اس طرح کے ڈھانچے کے عین مطابق درجہ حرارت کی پیمائش کرنے کے امکان کی تصدیق کی.
اوپر بیان کردہ heterostructures الٹرا لائٹ اور کمپیکٹ تھرمل "شیلڈز" کی بنیاد بن سکتے ہیں، مثال کے طور پر، الیکٹرانکس میں گرم مقامات سے گرمی کو ہٹانے کے قابل۔ اس کے علاوہ، اس ٹیکنالوجی کو تھرمو الیکٹرک جنریٹرز یا تھرمل کنٹرولڈ ڈیوائسز میں استعمال کیا جا سکتا ہے، جس سے ان کی کارکردگی میں اضافہ ہوتا ہے۔
یہ مطالعہ ایک بار پھر اس بات کی تصدیق کرتا ہے کہ جدید سائنس "تھمبل میں کارکردگی" کے اصول میں سنجیدگی سے دلچسپی رکھتی ہے، جسے کرہ ارض کے محدود وسائل اور ہر قسم کی تکنیکی اختراعات کی مانگ میں مسلسل اضافے کے پیش نظر، ایک احمقانہ خیال نہیں کہا جا سکتا۔
آپ کی توجہ کے لیے آپ کا شکریہ، متجسس رہیں اور سب کا ہفتہ اچھا گزرے! 🙂
ہمارے ساتھ رہنے کے لیے آپ کا شکریہ۔ کیا آپ کو ہمارے مضامین پسند ہیں؟ مزید دلچسپ مواد دیکھنا چاہتے ہیں؟ آرڈر دے کر یا دوستوں کو مشورہ دے کر ہمارا ساتھ دیں، انٹری لیول سرورز کے انوکھے اینالاگ پر Habr کے صارفین کے لیے 30% رعایت، جو ہم نے آپ کے لیے ایجاد کیا تھا: (RAID1 اور RAID10 کے ساتھ دستیاب، 24 کور تک اور 40GB DDR4 تک)۔
ڈیل R730xd 2 گنا سستا؟ صرف یہاں نیدرلینڈ میں! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - $99 سے! کے بارے میں پڑھا
ماخذ: www.habr.com