Nhiều game thủ trên khắp thế giới từng trải qua kỷ nguyên Xbox 360 đã rất quen thuộc với tình huống bảng điều khiển của họ biến thành một chiếc chảo rán để họ có thể chiên trứng. Tình trạng đáng buồn tương tự cũng xảy ra không chỉ với máy chơi game mà còn xảy ra với điện thoại, máy tính xách tay, máy tính bảng, v.v. Về nguyên tắc, hầu hết mọi thiết bị điện tử đều có thể bị sốc nhiệt, điều này không chỉ dẫn đến hỏng hóc và khiến chủ nhân khó chịu mà còn có thể khiến pin “nổ mạnh” và gây thương tích nghiêm trọng. Hôm nay chúng ta sẽ làm quen với một nghiên cứu trong đó các nhà khoa học từ Đại học Stanford, như Nick Fury trong truyện tranh, đã tạo ra một tấm khiên bảo vệ các bộ phận điện tử nhạy cảm với nhiệt khỏi quá nóng và do đó ngăn ngừa sự cố của chúng. Các nhà khoa học đã làm cách nào để tạo ra tấm chắn nhiệt, các thành phần chính của nó là gì và hiệu quả của nó như thế nào? Chúng tôi tìm hiểu về điều này và nhiều hơn nữa từ báo cáo của nhóm nghiên cứu. Đi.
Cơ sở nghiên cứu
Vấn đề quá nhiệt đã được biết đến từ rất lâu và các nhà khoa học giải quyết nó bằng nhiều cách khác nhau. Một số phổ biến nhất là việc sử dụng thủy tinh, nhựa và thậm chí cả các lớp không khí, đóng vai trò như một loại chất cách nhiệt bức xạ nhiệt. Trong thực tế hiện đại, phương pháp này có thể được cải thiện bằng cách giảm độ dày của lớp bảo vệ xuống còn vài nguyên tử mà không làm mất đi đặc tính cách nhiệt của nó. Đó chính xác là những gì các nhà nghiên cứu đã làm.
Tất nhiên, chúng ta đang nói về vật liệu nano. Tuy nhiên, việc sử dụng chúng trong cách nhiệt trước đây rất phức tạp do bước sóng của chất làm mát (phonon*) ngắn hơn đáng kể so với electron hoặc photon.
Phonon* - một giả hạt, là một lượng tử chuyển động dao động của các nguyên tử tinh thể.
Ngoài ra, do bản chất boson của phonon, không thể điều khiển chúng bằng điện áp (như thực hiện với các hạt mang điện), điều này thường gây khó khăn cho việc kiểm soát sự truyền nhiệt trong chất rắn.
Trước đây, các tính chất nhiệt của chất rắn, như các nhà nghiên cứu nhắc nhở chúng ta, được kiểm soát thông qua các màng nanolaminate và các siêu mạng do rối loạn cấu trúc và các bề mặt tiếp xúc mật độ cao, hoặc thông qua các dây nano silicon và germanium do sự tán xạ phonon mạnh.
Đối với một số phương pháp cách nhiệt được mô tả ở trên, các nhà khoa học tự tin sẵn sàng gán các vật liệu hai chiều, độ dày của chúng không vượt quá vài nguyên tử, giúp chúng dễ dàng điều khiển ở quy mô nguyên tử. Trong nghiên cứu của họ, họ đã sử dụng van der Waals (vdW) lắp ráp các lớp 2D mỏng nguyên tử để đạt được khả năng chịu nhiệt rất cao trong toàn bộ cấu trúc dị thể của chúng.
Lực Van der Waals* - lực tương tác giữa các phân tử/tương tác với năng lượng 10-20 kJ/mol.
Kỹ thuật mới có thể thu được điện trở nhiệt trong cấu trúc dị thể vdW có độ dày 2 nm, tương đương với điện trở nhiệt trong lớp SiO2 (silicon dioxide) có độ dày 300 nm.
Ngoài ra, việc sử dụng cấu trúc dị thể vdW đã giúp có thể kiểm soát các tính chất nhiệt ở cấp độ nguyên tử thông qua việc phân lớp các đơn lớp 2D không đồng nhất với mật độ khối lượng nguyên tử và chế độ rung khác nhau.
Vì vậy, chúng ta đừng kéo râu mèo nữa mà hãy bắt đầu xem xét kết quả của nghiên cứu tuyệt vời này.
Kết quả nghiên cứu
Trước hết, chúng ta hãy làm quen với các đặc điểm cấu trúc vi mô và quang học của các cấu trúc dị thể vdW được sử dụng trong nghiên cứu này.
Hình ảnh số 1
trên hình ảnh XUẤT KHẨU hiển thị sơ đồ cắt ngang của cấu trúc dị thể bốn lớp bao gồm (từ trên xuống dưới): graphene (Gr), MoSe2, MoS2, WSe22 và chất nền SiO2/Si. Để quét tất cả các lớp cùng một lúc, hãy sử dụng Laser Raman* với bước sóng 532 nm.
Laser Raman* - một loại laser trong đó cơ chế khuếch đại ánh sáng chính là tán xạ Raman.
tán xạ Ramanđến lượt nó, là sự tán xạ không đàn hồi của bức xạ quang học lên các phân tử của một chất, kèm theo sự thay đổi đáng kể về tần số của bức xạ.
Một số phương pháp đã được sử dụng để xác nhận tính đồng nhất về cấu trúc vi mô, nhiệt và điện của các cấu trúc dị thể: kính hiển vi điện tử truyền qua quét (STEM), quang phổ phát quang (PL), kính hiển vi thăm dò Kelvin (KPM), kính hiển vi nhiệt quét (SThM), cũng như quang phổ Raman và nhiệt kế.
Изображение 1b cho chúng ta thấy phổ Raman của cấu trúc dị vòng Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 trên đế SiO2/Si tại vị trí được đánh dấu bằng dấu chấm màu đỏ. Biểu đồ này hiển thị chữ ký của từng lớp đơn trong mảng lớp, cũng như chữ ký của chất nền Si.
Trên 1c-1f Hình ảnh STEM trường tối của cấu trúc dị vòng Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 được hiển thị (1с) và cấu trúc dị thể Gr/MoS2/WSe22 (1d-1f) với các hướng mạng khác nhau. Hình ảnh STEM hiển thị các khoảng trống vdW khép kín về mặt nguyên tử mà không có bất kỳ ô nhiễm nào, cho phép nhìn thấy đầy đủ độ dày tổng thể của các cấu trúc dị thể này. Sự hiện diện của sự ghép nối giữa các lớp cũng được xác nhận trên các khu vực quét lớn bằng phương pháp quang phổ phát quang (PL) (1g). Tín hiệu phát quang của từng lớp bên trong cấu trúc dị thể bị triệt tiêu đáng kể so với tín hiệu của lớp đơn lớp bị cô lập. Điều này được giải thích là do quá trình truyền điện tích giữa các lớp do tương tác chặt chẽ giữa các lớp, thậm chí còn trở nên mạnh hơn sau khi ủ.
Hình ảnh số 2
Để đo dòng nhiệt vuông góc với các mặt phẳng nguyên tử của cấu trúc dị thể, mảng lớp được cấu trúc dưới dạng thiết bị điện bốn đầu dò. Lớp trên cùng của graphene tiếp xúc với các điện cực palladium (Pd) và được sử dụng làm lò sưởi để đo nhiệt độ Raman.
Phương pháp gia nhiệt bằng điện này cung cấp khả năng định lượng chính xác công suất đầu vào. Một phương pháp gia nhiệt khả thi khác, phương pháp quang học, sẽ khó thực hiện hơn do thiếu hiểu biết về hệ số hấp thụ của từng lớp riêng lẻ.
Trên XUẤT KHẨU hiển thị mạch đo bốn đầu dò và 2b cho thấy một cái nhìn từ trên xuống của cấu trúc đang được thử nghiệm. Lịch trình 2с hiển thị các đặc tính truyền nhiệt đo được cho ba thiết bị, một thiết bị chỉ chứa graphene và hai thiết bị chứa mảng lớp Gr/WSe22 và Gr/MoSe2/WSe22. Tất cả các biến thể đều thể hiện hành vi lưỡng cực của graphene, liên quan đến việc không có khoảng cách dải.
Người ta cũng phát hiện ra rằng sự dẫn điện và đốt nóng xảy ra ở lớp trên (graphene), vì độ dẫn điện của nó cao hơn vài bậc so với MoS2 và WSe22.
Để chứng minh tính đồng nhất của các thiết bị được thử nghiệm, các phép đo được thực hiện bằng kính hiển vi đầu dò Kelvin (KPM) và kính hiển vi nhiệt quét (SThM). Trên biểu đồ 2d Các phép đo KPM được hiển thị cho thấy phân bố tiềm năng tuyến tính. Kết quả phân tích SThM được thể hiện trong 2e. Ở đây chúng ta thấy bản đồ các kênh Gr/MoS2/WSe22 được đốt nóng bằng điện, cũng như sự hiện diện của tính đồng nhất trong hệ thống sưởi bề mặt.
Các kỹ thuật quét được mô tả ở trên, đặc biệt là SThM, đã xác nhận tính đồng nhất của cấu trúc đang nghiên cứu, tức là tính đồng nhất của nó về mặt nhiệt độ. Bước tiếp theo là định lượng nhiệt độ của từng lớp cấu thành bằng phương pháp quang phổ Raman (tức là quang phổ Raman).
Cả ba thiết bị đều được thử nghiệm, mỗi thiết bị có diện tích ~40 µm2. Trong trường hợp này, công suất bộ sưởi thay đổi 9 mW và công suất laser được hấp thụ dưới ~5 μW với diện tích điểm laser là ~0.5 μm2.
Hình ảnh số 3
Trên biểu đồ XUẤT KHẨU sự gia tăng nhiệt độ (∆T) của mỗi lớp và chất nền có thể nhìn thấy được khi công suất gia nhiệt trong cấu trúc dị vòng Gr/MoS2/WSe22 tăng lên.
Độ dốc của hàm tuyến tính đối với từng vật liệu (lớp) biểu thị điện trở nhiệt (Rth=∆T/P) giữa lớp riêng lẻ và tản nhiệt. Với sự phân bố nhiệt đồng đều trên khu vực, điện trở nhiệt có thể được phân tích dễ dàng từ lớp dưới lên lớp trên, trong đó giá trị của chúng được chuẩn hóa theo diện tích kênh (WL).
L và W là chiều dài và chiều rộng kênh, lớn hơn đáng kể so với độ dày của chất nền SiO2 và chiều dài gia nhiệt ngang, là ~ 0.1 μm.
Do đó, chúng ta có thể rút ra công thức tính điện trở nhiệt của chất nền Si, công thức này sẽ như sau:
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSĩ)
Trong tình huống này kSi ≈ 90 W m−1 K−1, là hệ số dẫn nhiệt dự kiến của chất nền có độ pha tạp cao như vậy.
Sự khác biệt giữa Rth,WSe2 và Rth,Si là tổng điện trở nhiệt của SiO2 dày 100 nm và điện trở biên nhiệt (TBR) của giao diện WSe2/SiO2.
Kết hợp tất cả các khía cạnh trên lại với nhau, chúng ta có thể xác định rằng Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2 và Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRGr/MoS2. Do đó, từ đồ thị XUẤT KHẨU có thể trích xuất giá trị TBR cho từng giao diện WSe2/SiO2, MoS2/WSe2 và Gr/MoS2.
Tiếp theo, các nhà khoa học so sánh tổng nhiệt trở của tất cả các cấu trúc dị thể, được đo bằng quang phổ Raman và kính hiển vi nhiệt (3b).
Cấu trúc dị thể hai lớp và ba lớp trên SiO2 thể hiện khả năng chịu nhiệt hiệu quả trong khoảng 220 đến 280 m2 K/GW ở nhiệt độ phòng, tương đương với khả năng chịu nhiệt của SiO2 có độ dày từ 290 đến 360 nm. Mặc dù thực tế là độ dày của các cấu trúc dị thể đang nghiên cứu không vượt quá 2 nm (1d-1f), độ dẫn nhiệt của chúng là 0.007-0.009 W m−1 K−1 ở nhiệt độ phòng.
Hình ảnh số 4
Hình 4 cho thấy các phép đo của cả bốn cấu trúc và độ dẫn nhiệt biên (TBC) của các bề mặt của chúng, cho phép chúng ta đánh giá mức độ ảnh hưởng của từng lớp đến điện trở nhiệt đo được trước đó (TBC = 1 / TBR).
Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng đây là phép đo TBC đầu tiên cho các giao diện gần gũi về mặt nguyên tử giữa các lớp đơn lớp riêng biệt (2D/2D), đặc biệt là giữa các lớp đơn lớp WSe2 và SiO2.
TBC của giao diện WSe2/SiO2 đơn lớp thấp hơn so với giao diện WSe2/SiO2 đa lớp, điều này không có gì đáng ngạc nhiên vì lớp đơn lớp có sẵn ít chế độ phonon uốn cong hơn đáng kể để truyền. Nói một cách đơn giản, TBC của giao diện giữa các lớp 2D thấp hơn TBC của giao diện giữa lớp 2D và chất nền SiO3 2D (4b).
Để làm quen chi tiết hơn với các sắc thái của nghiên cứu, tôi khuyên bạn nên xem и cho anh ta.
Phần kết
Nghiên cứu này, như chính các nhà khoa học khẳng định, mang lại cho chúng ta kiến thức có thể áp dụng trong việc thực hiện các giao diện nhiệt nguyên tử. Công trình này cho thấy khả năng tạo ra các siêu vật liệu cách nhiệt có đặc tính không có trong tự nhiên. Ngoài ra, nghiên cứu còn xác nhận khả năng thực hiện các phép đo nhiệt độ chính xác của các cấu trúc như vậy, bất chấp quy mô nguyên tử của các lớp.
Các cấu trúc dị thể được mô tả ở trên có thể trở thành cơ sở cho các “lá chắn” nhiệt siêu nhẹ và nhỏ gọn, chẳng hạn như có khả năng loại bỏ nhiệt khỏi các điểm nóng trong thiết bị điện tử. Ngoài ra, công nghệ này có thể được sử dụng trong các máy phát nhiệt điện hoặc các thiết bị điều khiển nhiệt, giúp tăng hiệu suất của chúng.
Nghiên cứu này một lần nữa khẳng định rằng khoa học hiện đại rất quan tâm đến nguyên tắc “hiệu quả trong đê”, nguyên tắc này không thể gọi là một ý tưởng ngu ngốc, xét đến nguồn tài nguyên hạn chế của hành tinh và nhu cầu ngày càng tăng đối với tất cả các loại đổi mới công nghệ.
Cảm ơn bạn đã quan tâm, hãy luôn tò mò và chúc mọi người một tuần tuyệt vời! 🙂
Cảm ơn bạn đã ở với chúng tôi. Bạn có thích bài viết của chúng tôi? Bạn muốn xem nội dung thú vị hơn? Hỗ trợ chúng tôi bằng cách đặt hàng hoặc giới thiệu cho bạn bè, Giảm giá 30% cho người dùng Habr trên một máy chủ tương tự duy nhất của máy chủ cấp đầu vào do chúng tôi phát minh ra dành cho bạn: (có sẵn với RAID1 và RAID10, tối đa 24 lõi và tối đa 40GB DDR4).
Dell R730xd rẻ gấp 2 lần? Chỉ ở đây ở Hà Lan! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - từ $99! Đọc về
Nguồn: www.habr.com