Dunyo bo'ylab Xbox 360 davrini boshdan kechirgan ko'plab geymerlar konsoli tuxumni qovurish mumkin bo'lgan qovurilgan idishga aylangan vaziyatni juda yaxshi bilishadi. Shunga o'xshash qayg'uli vaziyat nafaqat o'yin konsollarida, balki telefonlar, noutbuklar, planshetlar va boshqa ko'p narsalar bilan ham sodir bo'ladi. Aslida, deyarli har qanday elektron qurilma termal zarbani boshdan kechirishi mumkin, bu nafaqat uning ishdan chiqishi va egasining xafa bo'lishiga, balki batareyaning "yomon portlashiga" va jiddiy shikastlanishga olib kelishi mumkin. Bugun biz Stenford universiteti olimlari komikslardagi Nik Fyuri kabi issiqlikka sezgir elektron qismlarni haddan tashqari qizib ketishdan himoya qiluvchi qalqon yaratgan va buning natijasida ularning buzilishining oldini olgan tadqiqot bilan tanishamiz. Qanday qilib olimlar termal qalqonni yaratishga muvaffaq bo'lishdi, uning asosiy tarkibiy qismlari nima va u qanchalik samarali? Biz bu va yana ko'p narsalarni tadqiqot guruhining hisobotidan bilib olamiz. Bor.
Tadqiqot asoslari
Haddan tashqari issiqlik muammosi juda uzoq vaqtdan beri ma'lum bo'lib, olimlar uni turli yo'llar bilan hal qilishadi. Eng mashhurlaridan ba'zilari shisha, plastmassa va hatto havo qatlamlaridan foydalanish bo'lib, ular termal nurlanishning o'ziga xos izolyatorlari bo'lib xizmat qiladi. Zamonaviy voqelikda bu usulni issiqlik izolyatsiyasi xususiyatlarini yo'qotmasdan himoya qatlamining qalinligini bir necha atomga kamaytirish orqali yaxshilash mumkin. Tadqiqotchilar aynan shunday qilishgan.
Biz, albatta, nanomateriallar haqida gapiramiz. Biroq, ularni issiqlik izolatsiyasida qo'llash ilgari sovutish suvi to'lqinlarining uzunligi (fononlar*) elektronlar yoki fotonlarnikidan sezilarli darajada qisqaroq.
Fonon* - kristall atomlarining tebranish harakatining kvanti bo'lgan kvazizarra.
Bundan tashqari, fononlarning bozonik tabiati tufayli ularni kuchlanish bilan boshqarish mumkin emas (zaryad tashuvchilarda bo'lgani kabi), bu odatda qattiq moddalarda issiqlik o'tkazuvchanligini nazorat qilishni qiyinlashtiradi.
Ilgari, qattiq jismlarning issiqlik xossalari, tadqiqotchilar eslatganidek, strukturaning buzilishi va yuqori zichlikdagi interfeyslar tufayli nanolaminat plyonkalari va super panjaralar orqali yoki kuchli fonon tarqalishi tufayli kremniy va germaniy nanosimlari orqali nazorat qilingan.
Yuqorida tavsiflangan bir qator issiqlik izolyatsiyasi usullariga olimlar ishonch bilan ikki o'lchovli materiallarni kiritishga tayyor, ularning qalinligi bir necha atomdan oshmaydi, bu ularni atom miqyosida boshqarishni osonlashtiradi. Ular o'z tadqiqotlarida foydalanganlar van der Vaals (vdW) atomik jihatdan yupqa 2D qatlamlarni yig'ish, ularning heterostrukturasida juda yuqori issiqlik qarshiligiga erishish.
Van der Vaals kuchlari * — 10-20 kJ/mol energiyasi boʻlgan molekulalararo/atomlararo oʻzaro taʼsir kuchlari.
Yangi texnika 2 nm qalinlikdagi SiO2 (kremniy dioksidi) qatlami bilan taqqoslanadigan 300 nm qalinlikdagi vdVt geterostrukturada issiqlik qarshiligini olish imkonini berdi.
Bundan tashqari, vdW heterostrukturalaridan foydalanish turli atom massalari zichligi va tebranish rejimlariga ega bo'lgan heterojen XNUMXD monoqatlamlarni qatlamlash orqali atom darajasida termal xususiyatlarni nazorat qilish imkonini berdi.
Shunday qilib, keling, mushukning mo'ylovini tortmaylik va bu ajoyib tadqiqot natijalarini ko'rib chiqishni boshlaylik.
Tadqiqot natijalari
Avvalo, ushbu tadqiqotda foydalaniladigan vdW geterostrukturalarining mikrostrukturaviy va optik xususiyatlari bilan tanishamiz.
Rasm №1
Rasmda 1а grafen (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 va SiO2/Si substratdan tashkil topgan to'rt qavatli heterostrukturaning kesma diagrammasini ko'rsatadi. Barcha qatlamlarni bir vaqtning o'zida skanerlash uchun foydalaning Raman lazer* to'lqin uzunligi 532 nm.
Raman lazer* - yorug'likni kuchaytirishning asosiy mexanizmi Ramanning tarqalishi bo'lgan lazer turi.
Ramanning tarqalishi, o'z navbatida, nurlanish chastotasining sezilarli o'zgarishi bilan birga keladigan optik nurlanishning moddaning molekulalari bo'yicha elastik bo'lmagan tarqalishi.
Geterostrukturalarning mikro strukturaviy, issiqlik va elektr bir xilligini tasdiqlash uchun bir nechta usullar qo'llanilgan: skanerlash transmissiya elektron mikroskopiyasi (STEM), fotoluminesans spektroskopiyasi (PL), Kelvin prob mikroskopiyasi (KPM), skanerlash termal mikroskopiyasi (SThM), shuningdek Raman spektroskopiyasi va termometriya.
Rasmli tasvir 1b qizil nuqta bilan belgilangan joyda SiO2/Si substratida Gr/MoSe2/MoS22/WSe2 geterostrukturasining Raman spektrini ko'rsatadi. Ushbu chizma qatlam massividagi har bir monoqatlamning imzosini, shuningdek, Si substratining imzosini ko'rsatadi.
ning 1c-1f Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 geterostrukturasining qorong'u maydonli STEM tasvirlari ko'rsatilgan (1 soniya) va Gr/MoS2/WSe22 heterostrukturalari (1d-1f) turli panjara yo'nalishlari bilan. STEM tasvirlari hech qanday ifloslanishsiz atomik ravishda yaqin vdW bo'shliqlarini ko'rsatadi, bu esa bu heterostrukturalarning umumiy qalinligini to'liq ko'rishga imkon beradi. Fotolyuminesans (PL) spektroskopiyasi yordamida katta skanerlash maydonlarida qatlamlararo ulanish mavjudligi ham tasdiqlangan.1g). Geterostruktura ichidagi alohida qatlamlarning fotolyuminestsent signali izolyatsiya qilingan monoqatlam signaliga nisbatan sezilarli darajada bostiriladi. Bu qatlamlararo yaqin o'zaro ta'sir tufayli qatlamlararo zaryadni uzatish jarayoni bilan izohlanadi, bu tavlanishdan keyin yanada kuchayadi.
Rasm №2
Geterostrukturaning atom tekisliklariga perpendikulyar issiqlik oqimini o'lchash uchun qatlamlar qatori to'rt probli elektr qurilmalar shaklida tuzilgan. Grafenning yuqori qatlami palladiy (Pd) elektrodlari bilan aloqa qiladi va Raman termometriyasini o'lchash uchun isitgich sifatida ishlatiladi.
Ushbu elektr isitish usuli kirish quvvatining aniq miqdorini ta'minlaydi. Yana bir mumkin bo'lgan isitish usuli, optik, alohida qatlamlarning assimilyatsiya koeffitsientlarini bilmaslik tufayli amalga oshirish qiyinroq bo'ladi.
ning 2а to'rtta probli o'lchov sxemasini ko'rsatadi va 2b sinovdan o'tayotgan strukturaning yuqori ko'rinishini ko'rsatadi. Jadval 2 soniya uchta qurilma uchun o'lchangan issiqlik uzatish xususiyatlarini ko'rsatadi, ulardan biri faqat grafen va ikkitasi Gr/WSe22 va Gr/MoSe2/WSe22 qatlam massivlarini o'z ichiga oladi. Barcha variantlar grafenning ambipolyar harakatini namoyish etadi, bu tarmoqli bo'shliqning yo'qligi bilan bog'liq.
Bundan tashqari, oqim o'tkazuvchanligi va isishi yuqori qatlamda (grafen) sodir bo'lishi aniqlandi, chunki uning elektr o'tkazuvchanligi MoS2 va WSe22 dan bir necha marta yuqori.
Sinov qilingan qurilmalarning bir xilligini ko'rsatish uchun o'lchovlar Kelvin prob mikroskopiyasi (KPM) va skanerlash termal mikroskopiyasi (SThM) yordamida amalga oshirildi. Diagrammada 2d KPM o'lchovlari chiziqli potentsial taqsimotini ochib beradi. SThM tahlili natijalarida ko'rsatilgan 2-lar. Bu erda biz elektr bilan isitiladigan Gr / MoS2 / WSe22 kanallarining xaritasini, shuningdek, sirtni isitishda bir xillikning mavjudligini ko'ramiz.
Yuqorida tavsiflangan skanerlash usullari, xususan, SThM, o'rganilayotgan strukturaning bir xilligini, ya'ni uning haroratlar bo'yicha bir xilligini tasdiqladi. Keyingi qadam, Raman spektroskopiyasi (ya'ni, Raman spektroskopiyasi) yordamida har bir tarkibiy qatlamning harorati miqdorini aniqlash edi.
Har uch qurilmaning har biri ~ 40 mkm2 maydonga ega bo'lgan sinovdan o'tkazildi. Bunday holda, isitgichning kuchi 9 mVt ga o'zgardi va so'rilgan lazer kuchi ~ 5 mkm0.5 lazer nuqta maydoni bilan ~2 mkVt dan past edi.
Rasm №3
Diagrammada 3а Gr/MoS2/WSe22 geterostrukturasida isituvchi quvvati ortishi bilan har bir qatlam va substratning harorati (∆T) ortishi ko‘rinadi.
Har bir material (qatlam) uchun chiziqli funktsiyaning qiyaliklari alohida qatlam va issiqlik qabul qiluvchi o'rtasidagi issiqlik qarshiligini (Rth=∆T/P) ko'rsatadi. Hududda isitishning bir xil taqsimlanishini hisobga olgan holda, issiqlik qarshiligini pastdan yuqori qatlamgacha osongina tahlil qilish mumkin, bunda ularning qiymatlari kanal maydoni (WL) tomonidan normallashtiriladi.
L va W kanal uzunligi va kengligi bo'lib, ular SiO2 substratining qalinligi va lateral termal isitish uzunligidan sezilarli darajada kattaroqdir, bu ~ 0.1 mkm.
Shunday qilib, biz Si substratining termal qarshiligi formulasini olishimiz mumkin, bu quyidagicha ko'rinadi:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)
Bu vaziyatda kSi ≈ 90 Vt m−1 K−1, bu shunday yuqori dopingli substratning kutilgan issiqlik o'tkazuvchanligi.
Rth,WSe2 va Rth,Si orasidagi farq 2 nm qalinlikdagi SiO100 termal qarshiligi va WSe2/SiO2 interfeysining termal chegara qarshiligi (TBR) yig'indisidir.
Yuqoridagi barcha jihatlarni jamlagan holda, biz Rth, MoS2 - Rth, WSe2 = TBRMoS2/WSe2 va Rth, Gr - Rth, MoS2 = TBRGr/MoS2 ekanligini aniqlashimiz mumkin. Shuning uchun, grafikdan 3а WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 va Gr/MoS2 interfeyslarining har biri uchun TBR qiymatini ajratib olish mumkin.
Keyinchalik, olimlar Raman spektroskopiyasi va termal mikroskopiya yordamida o'lchangan barcha heterostrukturalarning umumiy issiqlik qarshiligini solishtirdilar.3b).
SiO2 ustidagi ikki qatlamli va uch qatlamli heterostrukturalar xona haroratida 220 dan 280 m2 K/GVt oralig'ida samarali termal qarshilik ko'rsatdi, bu qalinligi 2 dan 290 nm gacha bo'lgan SiO360 ning termal qarshiligiga teng. O'rganilayotgan heterostrukturalarning qalinligi 2 nm dan oshmasligiga qaramay (1d-1f), ularning issiqlik o'tkazuvchanligi xona haroratida 0.007-0.009 Vt m−1 K−1 ga teng.
Rasm №4
4-rasmda barcha to'rtta strukturaning o'lchovlari va ularning interfeyslarining issiqlik chegarasi o'tkazuvchanligi (TBC) ko'rsatilgan, bu bizga har bir qatlamning oldindan o'lchangan issiqlik qarshiligiga (TBC = 1 / TBR) ta'sir darajasini baholash imkonini beradi.
Tadqiqotchilarning ta'kidlashicha, bu alohida monoqatlamlar (2D/2D), xususan WSe2 va SiO2 monoqatlamlari orasidagi atomik jihatdan yaqin interfeyslar uchun birinchi TBC o'lchovidir.
Bir qatlamli WSe2 / SiO2 interfeysining TBC ko'p qatlamli WSe2 / SiO2 interfeysidan pastroqdir, bu ajablanarli emas, chunki monolayer uzatish uchun mavjud bo'lgan egiluvchan fonon rejimlari sezilarli darajada kamroq. Oddiy qilib aytganda, 2D qatlamlari orasidagi interfeys TBC 2D qatlam va 3D SiO2 substrati orasidagi interfeys TBC dan past (4b).
Tadqiqotning nuanslari bilan batafsilroq tanishish uchun men qarashni tavsiya qilaman и unga.
Epilog
Ushbu tadqiqot, olimlarning o'zlari ta'kidlaganidek, bizga atomik termal interfeyslarni amalga oshirishda qo'llanilishi mumkin bo'lgan bilimlarni beradi. Bu ish xossalari tabiatda uchramaydigan issiqlik izolyatsiya qiluvchi metamateriallarni yaratish imkoniyatini ko'rsatdi. Bundan tashqari, tadqiqot qatlamlarning atom shkalasiga qaramay, bunday tuzilmalarning aniq harorat o'lchovlarini o'tkazish imkoniyatini ham tasdiqladi.
Yuqorida tavsiflangan heterostrukturalar, masalan, elektronikadagi issiq nuqtalardan issiqlikni olib tashlashga qodir bo'lgan ultra engil va ixcham termal "qalqonlar" uchun asos bo'lishi mumkin. Bundan tashqari, ushbu texnologiya termoelektr generatorlari yoki termal boshqariladigan qurilmalarda qo'llanilishi, ularning ish faoliyatini oshirishi mumkin.
Ushbu tadqiqot yana bir bor tasdiqlaydiki, zamonaviy fan sayyoramizning cheklangan resurslari va barcha turdagi texnologik innovatsiyalarga bo'lgan talabning doimiy o'sishini hisobga olgan holda, ahmoqona g'oya deb atash mumkin bo'lmagan "qo'ltiqdagi samaradorlik" tamoyiliga jiddiy qiziqish bildirmoqda.
O'qiganingiz uchun tashakkur, qiziquvchan bo'ling va haftani ajoyib o'tkazing! 🙂
Biz bilan qolganingiz uchun tashakkur. Bizning maqolalarimiz sizga yoqdimi? Yana qiziqarli tarkibni ko'rishni xohlaysizmi? Buyurtma berish yoki do'stlaringizga tavsiya qilish orqali bizni qo'llab-quvvatlang, Habr foydalanuvchilari uchun biz siz uchun ixtiro qilingan boshlang'ich darajadagi serverlarning noyob analogiga 30% chegirma: (RAID1 va RAID10, 24 tagacha yadro va 40 Gb gacha DDR4 bilan mavjud).
Dell R730xd 2 barobar arzonmi? Faqat shu yerda Gollandiyada! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 dollardan! Haqida o'qing
Manba: www.habr.com