全球許多經歷過Xbox 360時代的遊戲玩家都非常熟悉自己的主機變成了煎鍋，可以在上面煎雞蛋的情景。 類似的悲慘情況不僅發生在遊戲機上，也發生在手機、筆記型電腦、平板電腦等。 原則上，幾乎所有電子設備都會經歷熱衝擊，這不僅會導致其故障和主人的不安，還會導致電池「壞爆炸」和嚴重傷害。 今天我們將了解一項研究，其中史丹佛大學的科學家（如漫畫中的尼克·弗瑞）創建了一個防護罩，可以保護熱敏感電子部件免於過熱，從而防止其損壞。 科學家是如何製造出隔熱罩的？它的主要成分是什麼？它的效果如何？ 我們從研究小組的報告中了解了這一點以及更多資訊。 去。
研究基礎
過熱問題早已為人所知，科學家以多種方式解決這個問題。 其中最受歡迎的是使用玻璃、塑膠甚至空氣層，它們充當熱輻射的絕緣體。 在現代現實中，可以透過將保護層的厚度減少到幾個原子而不損失其隔熱性能來改進這種方法。 這正是研究人員所做的。
當然，我們談論的是奈米材料。 然而，由於冷卻劑的波長（聲子*）明顯短於電子或光子。
聲子* - 準粒子，是晶體原子振動運動的量子。
此外，由於聲子的玻色子性質，不可能透過電壓來控制它們（就像電荷載子所做的那樣），這通常使得控制固體中的傳熱變得困難。
先前，正如研究人員提醒我們的那樣，固體的熱性能是透過奈米層壓薄膜和超晶格（由於結構無序和高密度界面）來控制的，或者透過矽和鍺奈米線（由於強聲子散射）來控制的。
對於上述許多隔熱方法，科學家充滿信心地準備將其歸因於二維材料，其厚度不超過幾個原子，這使得它們易於在原子尺度上控制。 在他們的研究中他們使用 范德華 （vdW）原子級薄二維層的組裝，以在整個異質結構中實現非常高的熱阻。
范德華力* — 能量為 10-20 kJ/mol 的分子間/原子間相互作用力。
這項新技術使得在 2 nm 厚的 vdW 異質結構中獲得與 2 nm 厚的 SiO300（二氧化矽）層相當的熱阻成為可能。
此外，vdW 異質結構的使用使得透過具有不同原子質量密度和振動模式的異質二維單層分層，可以在原子層級上控制熱性能。
所以，我們不要拔貓的鬍鬚，讓我們開始考慮這項驚人的研究結果。
研究結果
首先，讓我們了解一下本研究中使用的 vdW 異質結構的微觀結構和光學特性。
圖片#1
在圖像上 1a 顯示了由（從上到下）石墨烯（Gr）、MoSe2、MoS2、WSe22 和 SiO2/Si 基板組成的四層異質結構的橫截面圖。 若要同時掃描所有層，請使用 拉曼雷射* 波長為532 nm。
拉曼雷射* - 一種雷射器，其光放大的主要機制是拉曼散射。
拉曼散射反過來，是光輻射在物質分子上的非彈性散射，伴隨著輻射頻率的顯著變化。
使用多種方法來確認異質結構的微觀結構、熱和電均勻性：掃描透射電子顯微鏡（STEM）、光致發光光譜（PL）、開爾文探針顯微鏡（KPM）、掃描熱顯微鏡（SThM）以及拉曼光譜和測溫。
Изображение 1b 向我們展示了 SiO2/Si 基底上 Gr/MoSe2/MoS22/WSe2 異質結構在紅點標記位置的拉曼光譜。 此圖顯示了層陣列中每個單層的特徵以及矽基板的特徵。
上 1c - 1f 顯示了 Gr/MoSe2/MoS2/WSe22 異質結構的暗場 STEM 影像（1秒）和 Gr/MoS2/WSe22 異質結構（1d - 1f）具有不同的晶格方向。 STEM 影像顯示原子級緊密的 vdW 間隙，沒有任何污染，使這些異質結構的整體厚度完全可見。 使用光致發光（PL）光譜在大掃描區域也證實了層間耦合的存在（1g）。 與孤立的單層的訊號相比，異質結構內各層的光致發光訊號被顯著抑制。 這是由於緊密的層間相互作用導致層間電荷轉移的過程解釋的，退火後層間相互作用變得更強。
圖片#2
為了測量垂直於異質結構原子平面的熱流，層陣列被建構為四探針電子裝置的形式。 石墨烯頂層與鈀 (Pd) 電極接觸，用作拉曼測溫測量的加熱器。
這種電加熱方法提供了輸入功率的精確量化。 另一種可能的加熱方法，即光學加熱方法，由於不了解各層的吸收係數，將更難實施。
上 2a 顯示了四探針測量電路，並且 2b 顯示正在測試的結構的俯視圖。 行程 2秒 顯示了三種裝置的測得傳熱特性，一種僅包含石墨烯，另兩種包含 Gr/WSe22 和 Gr/MoSe2/WSe22 層陣列。 所有變異體都表現出石墨烯的雙極性行為，這與帶隙的缺失有關。
研究還發現，電流傳導和加熱發生在上層（石墨烯），因為其電導率比 MoS2 和 WSe22 高出幾個數量級。
為了證明測試設備的均勻性，使用開爾文探針顯微鏡 (KPM) 和掃描熱顯微鏡 (SThM) 進行測量。 在圖表上 2d 顯示的 KPM 測量結果揭示了線性電位分佈。 SThM 分析的結果顯示在 2е。 在這裡，我們看到了電加熱 Gr/MoS2/WSe22 通道的圖，以及表面加熱的均勻性。
上述掃描技術，特別是 SThM，證實了所研究結構的均勻性，即其在溫度方面的均勻性。 下一步是使用拉曼光譜（即拉曼光譜）量化每個組成層的溫度。
所有三個裝置均經過測試，每個裝置的面積約為 40 µm2。 在這種情況下，加熱器功率改變了9 mW，吸收的雷射功率低於~5 μW，雷射光斑面積~0.5 μm2。
圖片#3
在圖表上 3a 隨著 Gr/MoS2/WSe22 異質結構中加熱器功率的增加，可以看到每層和基底的溫度 (ΔT) 增加。
每種材料（層）的線性函數的斜率表示各層和散熱器之間的熱阻 (Rth=ΔT/P)。 鑑於加熱在該區域上的均勻分佈，可以輕鬆地從底部到頂層分析熱阻，在此期間它們的值通過通道面積（WL）進行歸一化。
L和W是通道長度和寬度，明顯大於SiO2基板的厚度和橫向熱加熱長度，約為0.1μm。
因此，我們可以推導出Si襯底的熱阻公式，如下所示：
Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2k矽）
在這個情況下 kSi ≈ 90 W m−1 K−1，這是這種高摻雜基板的預期熱傳導率。
Rth,WSe2 與 Rth,Si 之間的差異是 2 nm 厚 SiO100 的熱阻與 WSe2/SiO2 界面熱邊界熱阻 (TBR) 總和。
將上述各方面綜合起來，我們可以得到 Rth,MoS2 − Rth,WSe2 = TBRMoS2/WSe2，並且 Rth,Gr − Rth,MoS2 = TBRMoS2/MoSXNUMX。 因此，從圖中 3a 可以提取每個 WSe2/SiO2、MoS2/WSe2 和 Gr/MoS2 介面的 TBR 值。
接下來，科學家比較了使用拉曼光譜和熱顯微鏡測量的所有異質結構的總熱阻（3b).
SiO2上的雙層和三層異質結構在室溫下表現出220至280 m2 K/GW範圍內的有效熱阻，相當於厚度為2至290 nm的SiO360的熱阻。 儘管所研究的異質結構的厚度不超過 2 nm（1d - 1f），室溫下導熱係數為0.007-0.009 W m−1 K−1。
圖片#4
圖 4 顯示了所有四種結構的測量結果及其界面的熱邊界傳導率 (TBC)，這使我們能夠評估每層對先前測量的熱阻 (TBC = 1 / TBR) 的影響程度。
研究人員指出，這是首次對單獨單層（2D/2D）之間的原子緊密介面進行 TBC 測量，特別是 WSe2 和 SiO2 單層之間。
單層 WSe2/SiO2 介面的 TBC 低於多層 WSe2/SiO2 介面的 TBC，這並不奇怪，因為單層可用於傳輸的彎曲聲子模式明顯較少。 簡單來說，2D 層之間界面的 TBC 低於 2D 層與 3D SiO2 基板之間界面的 TBC（4b).
為了更詳細地了解這項研究的細微差別，我建議看看 и 給他。
尾聲
正如科學家們自己聲稱的那樣，這項研究為我們提供了可應用於原子熱界面實現的知識。 這項工作展示了創造自然界中不存在的隔熱超材料的可能性。 此外，該研究還證實了對此類結構進行精確溫度測量的可能性，儘管這些層是原子尺度的。
上述異質結構可以成為超輕和緊湊的熱「屏蔽」的基礎，例如能夠消除電子設備熱點的熱量。 此外，該技術還可用於熱電發電機或熱控設備，提高其性能。
這項研究再次證實，現代科學對「頂針效率」原理非常感興趣，考慮到地球資源有限以及對各種技術創新的需求不斷增長，這不能被稱為愚蠢的想法。
感謝您的關注，保持好奇心，祝大家度過愉快的一周！ 🙂
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來源： www.habr.com