全球很多经历过Xbox 360时代的游戏玩家都非常熟悉自己的主机变成了煎锅，可以在上面煎鸡蛋的情景。 类似的悲惨情况不仅发生在游戏机上，还发生在手机、笔记本电脑、平板电脑等上。 原则上，几乎所有电子设备都会经历热冲击，这不仅会导致其故障和主人的不安，还会导致电池“坏爆炸”和严重伤害。 今天我们将了解一项研究，其中斯坦福大学的科学家（如漫画中的尼克·弗瑞）创建了一个防护罩，可以保护热敏感电子部件免于过热，从而防止其损坏。 科学家们是如何制造出隔热罩的？它的主要成分是什么？它的效果如何？ 我们从研究小组的报告中了解了这一点以及更多信息。 去。
研究基础
过热问题早已为人所知，科学家们以多种方式解决这个问题。 其中最受欢迎的是使用玻璃、塑料甚至空气层，它们充当热辐射的绝缘体。 在现代现实中，可以通过将保护层的厚度减少到几个原子而不损失其隔热性能来改进这种方法。 这正是研究人员所做的。
当然，我们谈论的是纳米材料。 然而，由于冷却剂的波长（声子*）明显短于电子或光子。
声子* - 准粒子，是晶体原子振动运动的量子。
此外，由于声子的玻色子性质，不可能通过电压来控制它们（就像电荷载流子所做的那样），这通常使得控制固体中的传热变得困难。
此前，正如研究人员提醒我们的那样，固体的热性能是通过纳米层压薄膜和超晶格（由于结构无序和高密度界面）来控制的，或者通过硅和锗纳米线（由于强声子散射）来控制的。
对于上述许多隔热方法，科学家们充满信心地准备将其归因于二维材料，其厚度不超过几个原子，这使得它们易于在原子尺度上控制。 在他们的研究中他们使用 范德华 （vdW）原子级薄二维层的组装，以在整个异质结构中实现非常高的热阻。
范德华力* — 能量为 10-20 kJ/mol 的分子间/原子间相互作用力。
这项新技术使得在厚度为 2 nm 的 vdW 异质结构中获得热阻成为可能，与厚度为 2 nm 的 SiO300（二氧化硅）层中的热阻相当。
此外，vdW 异质结构的使用使得通过具有不同原子质量密度和振动模式的异质二维单层分层，可以在原子水平上控制热性能。
所以，我们不要拔猫的胡须，让我们开始考虑这项惊人的研究结果。
研究结果
首先，让我们了解一下本研究中使用的 vdW 异质结构的微观结构和光学特性。
图片#1
在图像上 1а 显示了由（从上到下）石墨烯（Gr）、MoSe2、MoS2、WSe22 和 SiO2/Si 衬底组成的四层异质结构的横截面图。 要同时扫描所有层，请使用 拉曼激光* 波长为532 nm。
拉曼激光* - 一种激光器，其光放大的主要机制是拉曼散射。
拉曼散射反过来，是光辐射在物质分子上的非弹性散射，伴随着辐射频率的显着变化。
使用多种方法来确认异质结构的微观结构、热和电均匀性：扫描透射电子显微镜（STEM）、光致发光光谱（PL）、开尔文探针显微镜（KPM）、扫描热显微镜（SThM）以及拉曼光谱和测温。
Изображение 1b 向我们展示了 SiO2/Si 基底上 Gr/MoSe2/MoS22/WSe2 异质结构在红点标记位置的拉曼光谱。 该图显示了层阵列中每个单层的特征以及硅基板的特征。
上 1c - 1f 显示了 Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 异质结构的暗场 STEM 图像（1s）和 Gr/MoS2/WSe22 异质结构（1d - 1f）具有不同的晶格方向。 STEM 图像显示原子级紧密的 vdW 间隙，没有任何污染，使这些异质结构的整体厚度完全可见。 使用光致发光（PL）光谱在大扫描区域也证实了层间耦合的存在（1g）。 与孤立的单层的信号相比，异质结构内各个层的光致发光信号被显着抑制。 这是由于紧密的层间相互作用导致层间电荷转移的过程解释的，退火后层间相互作用变得更强。
图片#2
为了测量垂直于异质结构原子平面的热流，层阵列被构造为四探针电子装置的形式。 石墨烯顶层与钯 (Pd) 电极接触，用作拉曼测温测量的加热器。
这种电加热方法提供了输入功率的精确量化。 另一种可能的加热方法，即光学加热方法，由于不了解各个层的吸收系数，将更难以实施。
上 2а 显示了四探针测量电路，并且 2b 显示正在测试的结构的俯视图。 日程 2s 显示了三种器件的测得传热特性，一种仅包含石墨烯，另两种包含 Gr/WSe22 和 Gr/MoSe2/WSe22 层阵列。 所有变体都表现出石墨烯的双极性行为，这与带隙的缺失有关。
研究还发现，电流传导和加热发生在上层（石墨烯），因为其电导率比 MoS2 和 WSe22 高几个数量级。
为了证明测试设备的均匀性，使用开尔文探针显微镜 (KPM) 和扫描热显微镜 (SThM) 进行测量。 在图表上 2d 显示的 KPM 测量结果揭示了线性电位分布。 SThM 分析的结果显示在 2е。 在这里，我们看到了电加热 Gr/MoS2/WSe22 通道的图，以及表面加热的均匀性。
上述扫描技术，特别是 SThM，证实了所研究结构的均匀性，即其在温度方面的均匀性。 下一步是使用拉曼光谱（即拉曼光谱）量化每个组成层的温度。
所有三个器件均经过测试，每个器件的面积约为 40 µm2。 在这种情况下，加热器功率改变了9 mW，吸收的激光功率低于~5 μW，激光光斑面积~0.5 μm2。
图片#3
在图表上 3а 随着 Gr/MoS2/WSe22 异质结构中加热器功率的增加，可以看到每层和基底的温度 (ΔT) 增加。
每种材料（层）的线性函数的斜率表示各层和散热器之间的热阻 (Rth=ΔT/P)。 鉴于加热在该区域上的均匀分布，可以轻松地从底部到顶层分析热阻，在此期间它们的值通过通道面积（WL）进行归一化。
L和W是沟道长度和宽度，明显大于SiO2衬底的厚度和横向热加热长度，约为0.1μm。
因此，我们可以推导出Si衬底的热阻公式，如下所示：
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2k矽）
在这种情况下 kSi ≈ 90 W m−1 K−1，这是这种高掺杂衬底的预期热导率。
Rth,WSe2 和 Rth,Si 之间的差值是 2 nm 厚 SiO100 的热阻与 WSe2/SiO2 界面热边界热阻 (TBR) 之和。
将以上各方面综合起来，我们可以得出 Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2，并且 Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRMoS2/MoSXNUMX。 因此，从图中 3а 可以提取每个 WSe2/SiO2、MoS2/WSe2 和 Gr/MoS2 界面的 TBR 值。
接下来，科学家们比较了使用拉曼光谱和热显微镜测量的所有异质结构的总热阻（3b).
SiO2上的双层和三层异质结构在室温下表现出220至280 m2 K/GW范围内的有效热阻，相当于厚度为2至290 nm的SiO360的热阻。 尽管所研究的异质结构的厚度不超过 2 nm（1d - 1f），室温下导热系数为0.007-0.009 W m−1 K−1。
图片#4
图 4 显示了所有四种结构的测量结果及其界面的热边界传导率 (TBC)，这使我们能够评估每层对先前测量的热阻 (TBC = 1 / TBR) 的影响程度。
研究人员指出，这是首次对单独单层（2D/2D）之间的原子紧密界面进行 TBC 测量，特别是 WSe2 和 SiO2 单层之间。
单层 WSe2/SiO2 界面的 TBC 低于多层 WSe2/SiO2 界面的 TBC，这并不奇怪，因为单层可用于传输的弯曲声子模式明显较少。 简单地说，2D 层之间界面的 TBC 低于 2D 层与 3D SiO2 基板之间界面的 TBC（4b).
为了更详细地了解这项研究的细微差别，我建议查看 и 对他
结语
正如科学家们自己声称的那样，这项研究为我们提供了可应用于原子热界面实现的知识。 这项工作展示了创造自然界中不存在的隔热超材料的可能性。 此外，该研究还证实了对此类结构进行精确温度测量的可能性，尽管这些层是原子尺度的。
上述异质结构可以成为超轻和紧凑的热“屏蔽”的基础，例如能够消除电子设备热点的热量。 此外，该技术还可用于热电发电机或热控设备，提高其性能。
这项研究再次证实，现代科学对“顶针效率”原理非常感兴趣，考虑到地球资源有限以及对各种技术创新的需求不断增长，这不能被称为愚蠢的想法。
感谢您的关注，保持好奇心，祝大家度过愉快的一周！ 🙂
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来源： habr.com