Muchos jugadores de todo el mundo que se han embarcado en la era de Xbox 360 están muy familiarizados con la situación cuando su consola se convirtió en una sartén para freír huevos. Una situación triste similar se encuentra no solo con las consolas de juegos, sino también con teléfonos, computadoras portátiles, tabletas y mucho más. En principio, casi cualquier dispositivo electrónico puede experimentar un golpe de calor, lo que puede conducir no solo a su colapso y a los sentimientos molestos de su propietario, sino también al "mal auge" de la batería y lesiones graves. Hoy nos reuniremos con usted en un estudio en el que científicos de la Universidad de Stanford, como Nick Fury de los cómics, crearon un escudo que protege las partes sensibles al calor de los dispositivos electrónicos contra el sobrecalentamiento y, como resultado, evita que se rompan. ¿Cómo lograron los científicos crear un escudo térmico, cuáles son sus componentes principales y qué tan efectivo es? Esto y no solo aprendemos del informe del grupo de investigación. Vamos
Base de estudio
El problema del sobrecalentamiento se conoce desde hace mucho tiempo, y los científicos lo resuelven de varias maneras. Una de las más populares es la introducción de vidrio, plástico e incluso capas de aire, que sirven como un tipo de aislantes de la radiación térmica. En las realidades modernas, este método puede mejorarse reduciendo el grosor de la capa protectora a varios átomos, sin perder sus propiedades de aislamiento térmico. Eso es lo que hicieron los investigadores.
Se trata, por supuesto, de nanomateriales. Sin embargo, su uso en el aislamiento térmico se complicaba anteriormente por el hecho de que la longitud de onda de los refrigerantes (
fonones * ) es mucho más corta que la de los electrones o fotones.
Phonon * es una cuasipartícula que representa un cuanto de movimiento vibratorio de los átomos de cristal.
Además, debido a la naturaleza bosónica de los fonones, es imposible controlarlos por medio del voltaje (como se hace con los portadores de carga), lo que generalmente complica el control de la transferencia de calor en los sólidos.
Anteriormente, las propiedades térmicas de los sólidos se controlaban, como nos recuerdan los investigadores, por medio de películas nanolaminadas y superredes debido al desorden estructural y la alta densidad de interfaces, o por medio de nanocables de silicio y germanio debido a una fuerte dispersión de fonones.
Los científicos están listos para atribuir a varios de los métodos anteriores de aislamiento térmico con materiales bidimensionales, cuyo grosor no excede varios átomos, lo que hace que sea fácil controlarlos a escala atómica. En su estudio, utilizaron el ensamblaje de
van der Waals (vdW) de capas 2D atómicamente delgadas para lograr una resistencia térmica muy alta en toda su heteroestructura.
Fuerzas de Van der Waals * : fuerzas de interacción intermolecular / interatómica con una energía de 10-20 kJ / mol.
La nueva técnica permitió obtener resistencia térmica en una heteroestructura vdW con un espesor de 2 nm, comparable a la de una capa de SiO
2 (dióxido de silicio) con un espesor de 300 nm.
Además, el uso de heteroestructuras vdW hizo posible obtener el control sobre las propiedades térmicas a nivel atómico mediante la superposición de monocapas bidimensionales heterogéneas con diferentes densidades de masa atómica y modos de vibración.
Por lo tanto, no tiraremos del gato por el bigote y procederemos a considerar los resultados de este increíble estudio.
Resultados de la investigación
En primer lugar, nos familiarizaremos con las características microestructurales y ópticas de las heteroestructuras vdW utilizadas en este estudio.
Imagen No. 1La Figura
1a muestra un diagrama en sección transversal de una heteroestructura de cuatro capas que consiste en (de arriba a abajo): grafeno (Gr), MoSe
2 , MoS
2 , WSe2
2 y un sustrato de SiO
2 / Si. Para el escaneo simultáneo de todas las capas, se utiliza un
láser Raman * con una longitud de onda de 532 nm.
El láser Raman * es un tipo de láser en el que la dispersión Raman es el mecanismo principal para amplificar la luz.
La dispersión Raman , a su vez, es una dispersión inelástica de radiación óptica por las moléculas de una sustancia, que se acompaña de un cambio significativo en la frecuencia de radiación.
Se utilizaron varios métodos para confirmar la homogeneidad microestructural, térmica y eléctrica de las heteroestructuras: microscopía electrónica de transmisión de exploración (STEM), espectroscopía fotoluminiscente (PL), microscopía Kelvin de sonda (KPM), microscopía térmica de exploración (SThM) y espectroscopia y termometría Raman .
La imagen
1b nos muestra el espectro Raman de la heteroestructura Gr / MoSe
2 / MoS
2 / WSe2
2 en un sustrato SiO
2 / Si en la ubicación indicada por el punto rojo. Este gráfico muestra la firma de cada monocapa en la matriz de capas, así como la firma del sustrato de Si.
1c -
1f muestra imágenes STEM de campo oscuro de la heteroestructura Gr / MoSe
2 / MoS
2 / WSe2
2 (
1c ) y la heteroestructura Gr / MoS
2 / WSe2
2 (
1d -
1f ) con diferentes orientaciones de celosía. Las imágenes STEM muestran brechas vdW atómicamente cercanas sin contaminación, lo que le permite ver completamente el grosor total de estas heteroestructuras. La presencia de comunicación entre capas también se confirmó en grandes áreas de exploración mediante espectroscopía fotoluminiscente (PL) (
1g ). La señal fotoluminiscente de capas individuales dentro de la heteroestructura se suprime significativamente en comparación con la señal de una monocapa aislada. Esto se explica por el proceso de transferencia de carga entre capas debido a la estrecha interacción entre capas, que se vuelve aún más fuerte después del recocido.
Imagen No. 2Para medir el flujo de calor perpendicular a los planos atómicos de la heteroestructura, el conjunto de capas se estructuró en forma de dispositivos eléctricos de cuatro sondas. La capa superior de grafeno está en contacto con los electrodos de paladio (Pd) y se usa como un calentador para medir la termometría Raman.
Este método de calentamiento eléctrico proporciona una cuantificación precisa de la potencia de entrada. Otro posible método de calentamiento, óptico, sería más difícil de implementar debido a la ignorancia de los coeficientes de absorción de las capas individuales.
2a muestra un esquema de medición de cuatro sondas, y
2b muestra una vista superior de la estructura de prueba. El gráfico
2c muestra las características de transferencia de calor medidas para tres dispositivos, uno de los cuales contiene solo grafeno y dos conjuntos de capas Gr / WSe2
2 y Gr / MoSe
2 / WSe2
2 . Todas las variantes demuestran el comportamiento ambipolar del grafeno, que se asocia con la ausencia de una zona prohibida.
También se descubrió que la conductividad y el calentamiento actuales se producen en la capa superior (en grafeno), ya que su conductividad eléctrica es de varios órdenes de magnitud mayor que la de MoS
2 y WSe2
2 .
Para demostrar la homogeneidad de los dispositivos probados, las mediciones se realizaron utilizando microscopía Kelvin de sonda (KPM) y microscopía térmica de barrido (SThM). El gráfico
2d muestra mediciones de KPM que revelan una distribución de potencial lineal. Los resultados del análisis SThM se muestran en
2e . Aquí vemos un mapa de los canales Gr / MoS
2 / WSe2
2 calentados eléctricamente, así como la presencia de uniformidad en el calentamiento de la superficie.
Las técnicas de exploración descritas anteriormente, en particular SThM, confirmaron la homogeneidad de la estructura en estudio, es decir, su homogeneidad, en términos de temperatura. El siguiente paso fue la determinación cuantitativa de la temperatura de cada una de las capas constituyentes, realizada mediante espectroscopía Raman (es decir, espectroscopía Raman).
Los tres dispositivos fueron probados, el área de cada uno de los cuales fue de ~ 40 μm
2 . En este caso, la potencia del calentador se cambió en 9 mW, y la potencia del láser absorbido fue inferior a ~ 5 μW en un área de punto láser de ~ 0.5 μm
2 .
Imagen No. 3El gráfico
3a muestra un aumento de la temperatura (∆T) de cada capa y sustrato a medida que aumenta la potencia del calentador en la heteroestructura Gr / MoS
2 / WSe2
2 .
Las pendientes de la función lineal para cada material (capa) indican resistencia térmica (R
th = ∆T / P) entre una sola capa y un disipador de calor. Dada la distribución uniforme del calentamiento sobre el área, la resistencia térmica es bastante simple de analizar desde la capa inferior a la superior, durante la cual sus valores se normalizan por el área del canal (WL).
L y W son la longitud y el ancho del canal, que exceden significativamente el grosor del sustrato de SiO
2 y la longitud lateral del calentamiento térmico, que es ~ 0.1 μm.
Por lo tanto, podemos derivar la fórmula para la resistencia térmica del sustrato de Si, que se verá así:
R
th, Si ≈ (WL)
1/2 / (2
k Si )
En esta situación,
k Si ≈ 90 W m
- 1 K
- 1 , que es la conductividad térmica esperada de un sustrato tan altamente dopado.
La diferencia entre R
th, WSe 2 y R
th, Si es la suma de la resistencia térmica de SiO
2 con un grosor de 100 nm y la resistencia térmica límite (TBR) de la interfaz WSe
2 / SiO
2 .
Al reunir todos los aspectos anteriores, podemos establecer que Rth, MoS
2 - Rth, WSe
2 = TBRMoS
2 / WSe
2 , y Rth, Gr - Rth, MoS
2 = TBRGr / MoS
2 . Por lo tanto, TBR para cada una de las interfaces WSe
2 / SiO
2 , MoS
2 / WSe
2 y Gr / MoS
2 se pueden extraer del gráfico
3a .
Luego, los científicos compararon la resistencia térmica total de todas las heteroestructuras medidas por espectroscopía Raman y microscopía térmica (
3b ).
Las heteroestructuras de SiO
2 de dos capas y tres capas demostraron una resistencia térmica efectiva en el rango de 220 a 280 m
2 · K / GW a temperatura ambiente, que es equivalente a la resistencia térmica de SiO
2 con un espesor de 290 a 360 nm. A pesar de que el grosor de las heteroestructuras estudiadas no supera los 2 nm (
1d -
1f ), su conductividad térmica es 0.007–0.009 W m
- 1 K
- 1 a temperatura ambiente.
Imagen No. 4La imagen 4 muestra los resultados de las mediciones de las cuatro estructuras y la conductividad térmica límite (TBC) de sus interfaces, lo que nos permite estimar el grado de influencia de cada capa sobre la resistencia térmica medida previamente (TBC = 1 / TBR).
Los investigadores señalan que esta es la primera medición de TBC para interfaces atómicamente cercanas entre monocapas individuales (2D / 2D), en particular entre monocapas WSe
2 y SiO
2 .
El TBC de la interfaz monocapa WSe
2 / SiO
2 es más bajo que el de la interfaz multicapa WSe
2 / SiO
2 , lo cual no es sorprendente, ya que la monocapa tiene significativamente menos modos de doblado de fonones disponibles para la transmisión. En pocas palabras, la interfaz TBC entre las capas 2D es más baja que la interfaz TBC entre la capa 2D y el sustrato SiO
2 3D (
4b ).
Para conocer más detalladamente los matices del estudio, le recomiendo que consulte el
informe de los científicos y los
materiales adicionales .
Epílogo
Este estudio, según los propios científicos, nos brinda conocimientos que pueden aplicarse en la implementación de interfaces térmicas atómicas. Este trabajo mostró la posibilidad de crear metamateriales aislantes del calor cuyas propiedades no se encuentran en la naturaleza. Además, el estudio también confirmó la posibilidad de realizar mediciones precisas de temperatura de tales estructuras, a pesar de la escala atómica de las capas.
Las heteroestructuras descritas anteriormente pueden convertirse en la base de "escudos" térmicos ultraligeros y compactos, capaces, por ejemplo, de eliminar el calor de los puntos calientes de la electrónica. Además, esta tecnología se puede utilizar en generadores termoeléctricos o en dispositivos con control térmico, lo que aumenta su productividad.
Este estudio confirma una vez más que la ciencia moderna se deja llevar por el principio de "eficiencia en un dedal", que no puede llamarse una empresa estúpida, dados los recursos limitados del planeta y el aumento continuo de la demanda de todo tipo de innovaciones tecnológicas.
¡Gracias por su atención, sigan curiosos y tengan una buena semana de trabajo, muchachos! :)
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