العلماء في عصرنا ، مثل مائة أو ثلاثمائة سنة مضت ، يبحثون باستمرار عن شيء جديد. في كل مرة يتم اكتشاف خاصية جديدة لمادة أو ظاهرة أو عملية ، تسعى العقول العظيمة إلى تطبيق عملي لذلك. بحث اليوم ليس استثناء. كل يوم ، تتزايد كمية البيانات في العالم باستمرار. لأن تطوير طرق جديدة لتخزين المعلومات أصبح الآن في أعقاب الشعبية ، مثل أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، والأجهزة القائمة على الكائنات الحية الدقيقة ، وما إلى ذلك. يمكن أن يكون أساس الناقلات المحتملة للمستقبل مجموعة متنوعة من الأشياء ، من التقلصات إلى الفوتونات. سننظر اليوم في دراسة عملية فيزيائية مألوفة جدًا لنا مثل نقل الحرارة ، ولكن من زاوية جديدة. يقول العلماء إن نقل الحرارة فائق السرعة في الهياكل المعدنية متعددة الطبقات النانومترية يمكن أن يكون بمثابة أساس لتكنولوجيا جديدة. لماذا كانت هذه العملية هي التي أثارت اهتمامهم الكبير ، وهل يمكن اعتبار أقوالهم بصوت عالٍ نبوية؟ إن تقرير العلماء ، الذي نتعمق فيه الآن ، سيساعدنا على فهم ذلك. دعنا نذهب.
أساس الدراسة
يعد التسخين والتبريد فائق السرعة للأغشية المعدنية الرقيقة جوانب أساسية لدراسة تفاعل الفوتونات والإلكترونات ، بالإضافة إلى نقل الحرارة على مقياس النانو.
كان الاهتمام في درجة الحرارة وتغيراتها في إزالة المغناطيسية الفيمتو ثانية المستحثة بصريًا كبيرًا من قبل ، بالنظر إلى التحول متعدد النبضات. أيضا ، يجذب انتباه العلماء أيضًا من خلال تدفقات الطاقة في المعادن متعددة الطبقات ، والتي تنشأ بسبب الإثارة البصرية ، لأنها تلعب دورًا مهمًا في عملية التسجيل المغناطيسي باستخدام تغيرات درجة الحرارة وفي التبديل المغناطيسي البصري تمامًا.
ومع ذلك ، كانت هناك دائمًا صعوبات في دراسة مثل هذه الظواهر في مثل هذه العينات الصغيرة. من أجل فهم جوهر تدفقات الطاقة الحرارية بشكل أفضل ، من الضروري الوصول إلى درجة حرارة الشبكة الجزيئية نفسها ، التي تلعب الدور الأكثر أهمية في السعة الحرارية.
أدرك العلماء أن حيود الأشعة السينية فائقة السرعة (UXRD) عند زوايا
Bragg الخاصة بالعينة
* كانت ممتازة لهذه القياسات المعقدة.
حيود براج * - ظاهرة التشتت القوي للموجات عند زوايا معينة من الورود وطول موجي معين.
تسمح هذه الطريقة بقياسات الهيكل متعدد الطبقات ، حتى إذا كانت الطبقات تقع تحت طبقة طلاء غير شفافة أو إذا كان سمكها أقل من سمك الطبقة السطحية. من الممكن أيضًا قياس التغييرات الشبكية لكل طبقة بدقة عالية ، مما يجعل من الممكن تحديد كمية الحرارة المنبعثة في الطبقات المعدنية.
تم استخدام طريقة UXRD بالفعل من قبل ، ولكن لديها بعض القيود. أولاً ، كانت الدقة الزمنية حوالي 100 ps ، مما سمح لنا بدراسة نقل الحرارة لفترة قصيرة وعلى مسافة أقل من 100 نانومتر. في هذه الدراسة ، كان من الممكن تحقيق قياسات على مسافة حوالي 5 نانومتر.
عينة
كعينة اختبار ، تم استخدام عينة
Au / Ni من طبقتين ، حيث كان سمك Au (الذهب) 5.6 نانومتر. وني (نيكل) 12.4 نانومتر.
عمل MgO (أكسيد المغنيسيوم) كركيزة ، لأن معامل الانعكاس هو 1 ، أي أن MgO هو عاكس مطلق.
أظهرت ملاحظات ديناميكيات شبكيات طبقات Au و Ni أنه بعد 2 ps فقط ، تتسع شبكة شعرية Ni. في الوقت نفسه ، لا تزال شعرية Au باردة ، حتى لو كان النظام الفرعي الإلكتروني لهذه الطبقة يمتص معظم الضوء. تسخن شعرية Au ببطء إلى حد ما ، لتصل إلى درجة حرارة قصوى بعد حوالي 80 ps بعد التعرض البصري.
عملية
الاسترخاء * للهيكل المكون من طبقتين هي مرتين من حيث الحجم أبطأ من 1 بيكو ثانية ، والتي تختلف عن الحسابات السابقة ، وأبطأ من الوقت القياسي لتحقيق توازن الإلكترون-الفونون (τ
0 Au = 1-5 ps).
الاسترخاء * هو عملية إنشاء التوازن الديناميكي الحراري في النظام.
أحد العوامل الرئيسية لتحقيق التوازن الديناميكي الحراري هو التوازن الحراري. ما هو موضح في الفيديو (خرقاء قليلاً ، لكنها بسيطة ودقيقة).
بالنسبة للعلماء ، كانت نتيجة مماثلة مفاجأة. يشرحون ذلك من خلال حقيقة أن الحالة غير المتوازنة بين الإلكترونات وشبكة Au تدوم لفترة أطول في البنية المكونة من طبقتين مما لو كانت Au تشكل طبقة واحدة من النظام. ساعدت دراسات نظام Au - Pt المكون من طبقتين على فهم ذلك.
إعداد التجربة والنتائجلإثارة النظام الإلكتروني Au (الطبقة العليا) و Ni ، تم استخدام ليزر الفيمتو ثانية بطول موجة 400 و 800 نانومتر.
الصورة رقم 1: هيكل طبقة العينةوتجدر الإشارة إلى أنه مع نبضة ليزر بطول موجة يبلغ 400 نانومتر ، فإن درجة امتصاص طبقات Au و Ni هي نفسها تقريبًا ، بينما عند 800 نانومتر ، لم تمتص طبقة Au عمليا الضوء. يرجع هذا الاختلاف القوي إلى حقيقة أنه عند 400 نانومتر ، تتمتع طبقة Au بمؤشر انكسار أعلى بكثير. عند طول موجة 800 نانومتر في طبقة Au (سمك 5.6 نانومتر) ، يقلل التداخل الضار للضوء المنعكس من درجة الامتصاص.
الصورة رقم 2: البيانات التجريبيةتوضح الصورة
2 أ نمط حيود الأشعة السينية للعينة ، والذي يؤكد الاتجاه البلوري للطبقات النانوية Au و Ni. تظهر الخطوط الملونة التحولات الانتقالية لقمم Bragg في الوقت المحدد:
2b لـ Au و
2 c لـ Ni. الخط الأبيض المتقطع هو فجوة المحور من الخط الزمني إلى الخط الزمني اللوغاريتمي.
شكل 3: الديناميكا الحرارية للطبقات (Ni، Au) والركائز (MgO)من الجدير الآن أن نفكر بمزيد من التفصيل في عملية نقل الحرارة في العينة التجريبية. كما ذكرنا سابقًا ، فإن Ni هو الذي يتوسع في البداية ، بينما تنكمش طبقة Au بسبب توسع طبقة Ni. بعد 3 ps ، تبدأ طبقة Au في التوسع بنشاط عندما تتحول موجة الضغط إلى موجة تمدد بسبب الانعكاس على السطح. في الوقت نفسه ، لوحظت أيضًا اهتزازات غير ملحوظة لموجة التشوه في طبقة النيكل.
بعد طابع زمني يبلغ 80 ps ، وهو وقت طويل جدًا ، يصل Au إلى أقصى تمدد من خلال نقل الحرارة من طبقة Ni ، عندما تكون درجات الحرارة للطبقتين متساوية تقريبًا. علاوة على ذلك ، عند حوالي 100 ps ، تبدأ عملية التبريد ، عندما يتم نقل الحرارة بالفعل إلى ركيزة أكسيد المغنيسيوم.
كان من الممكن أيضًا تحديد أنه بعد 20 ps من بداية العملية ، فإن كمية الطاقة الحرارية المنقولة من Ni إلى Au تساوي كمية الطاقة المنقولة إلى الركيزة.
بالفعل بعد 150 ps ، يمر نصف الطاقة الحرارية للفيلم من طبقتين إلى الركيزة. ومع ذلك ، لا يزال العلماء لا يفهمون لماذا لا ترتفع طبقة سامسونج بسرعة أكبر بكثير بسبب نقل الحرارة الإلكتروني ، وهو أمر شائع جدًا للمعادن. ولا يقدم "تسرب" الحرارة إلى الركيزة تفسيرات شاملة.
استنادًا إلى الدراسات الحديثة لمعامل الانعكاس للإشعاع الحراري ، ابتكر العلماء نموذجًا متقدمًا من درجتي حرارة سيساعدان في تفسير التسخين البطيء لـ Au (الصورة
3 أ ).
نموذجين لدرجة الحرارةوالآن بالترتيب. الأنظمة الإلكترونية Ni و Au تصل بسرعة إلى التوازن بسبب الموصلية الكهربائية العالية. تأكيد الموازنة السريعة هو حقيقة أنه في أول 2 ps ، يتم ضغط طبقة Au بالتساوي عند 400 نانومتر وعند 800 نانومتر. إذا كان الأمر خلاف ذلك ، فإن ضغط الإلكترون العالي في Au بعد التعرض لحزمة 400 نانومتر سيؤدي إلى ضغط ناتج عن توسع النيكل.
دليل آخر على التوازن هو البيان التالي من قبل الباحثين: إذا لم تصل الإلكترونات إلى التوازن في أقل من 1 ps وبالتالي إزالة الحرارة من النظام الإلكتروني Au ، فلن يلاحظ مثل هذا الضغط القوي لـ Au ، لأن الضغط الإلكتروني سيؤدي على الفور إلى توسع Au .
فيما يتعلق بثابت تفاعل الإلكترون-الفوتون ، فهو أكبر بكثير في طبقة Ni منه في Au. يتم إرسال كل طاقة الفوتون تقريبًا التي يستقبلها النظام الإلكتروني إلى شبكة شعرية Ni. وهذا على الرغم من حقيقة أنه عند 400 نانومتر تم إدخال حوالي 1/3 من الطاقة الممتصة في البداية في النظام الإلكتروني Au.
الصورة رقم 4: مقارنة النموذج بالبيانات التجريبيةيوضح الرسم البياني
4 أ التشوه (الخطوط المتقطعة) المحسوبة من متوسط تسخين الطبقات. تتوافق هذه الحسابات مع النموذج الموضح في الصورة 1 ب. لكن الخطوط الصلبة هي محاكاة تستند إلى النموذج الموصوف أعلاه.
4b عبارة عن تمثيل لوني للسلالة كدالة لعمق العينة ووقتها ، ويتم إنشاؤها مع مراعاة وجود إجهاد حراري عابر منتظم مكانيًا في الطبقات. يتوافق هذا الرسم البياني مع الخطوط المتقطعة في الرسم البياني 4 أ.
وصف تقرير العلماء بمزيد من التفصيل تفاصيل أبحاثهم ، بالإضافة إلى طرق الحساب ، لذلك أوصي بشدة أن تتعرف عليها.الخاتمةجعلت هذه الدراسة من الممكن دراسة عمليات نقل الحرارة في بنية متعددة الطبقات على مستوى النانومتر ، مما يفتح لاحقًا إمكانية وصف خصائص معينة بمزيد من التفصيل لأنظمة معقدة من السبائك وتركيبات معدنية.
أظهرت إلكترونات Au و Ni القدرة على دخول حالة التوازن بسرعة فائقة ، وهو ما يؤكده حقيقة أنه عندما يتم الكشف عن شعاع من 400 نانومتر و 800 نانومتر ، يحدث التسخين في البداية فقط في ني ، بغض النظر عن الطاقة التي تمتصها طبقة Au.
عند 400 نانومتر ، تم الكشف عن عملية نقل الطاقة الحرارية بين الطبقات (من طبقة إلى أخرى والعكس بالعكس). في البداية ، تنقل الإلكترونات الطاقة بسرعة من Au إلى Ni ، لذلك يتم نقل جزء من الحرارة من فوتونات Ni إلى فوتونات Au. في النهاية ، تمر الحرارة عبر Ni إلى ركيزة أكسيد المغنيسيوم.
نظرًا لضعف اقتران الإلكترون-الفوتون في Au ، فإن الطاقة المنقولة من فوتونات Ni عبر إلكترونات Ni و Au إلى شبكة Au يتم قمعها بقوة. هذه الدراسة سيكون لها بالتأكيد تأثير قوي على الدراسة المستقبلية للتبادل الإلكتروني المنتشر والإزالة المغناطيسية / إعادة المغنطة البصرية.
يمكن لهذا العمل أن يصبح عنصرًا مهمًا في تحسين جوانب معينة من التقنيات المستقبلية. هذه ليست سوى الخطوات الأولى ، لكن الإمكانات واضحة. إذا لم تكن متشككًا في مثل هذا البحث وتريد أن تفهم ما يعتبره الآخرون غير مهم ، فسوف يتقدم التقدم بشكل أسرع وأكثر كفاءة.
شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ،
خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على نظير فريد من خوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وحتى 40 جيجابايت DDR4).
3 أشهر مجانًا عند الدفع مقابل Dell R630 جديد لمدة ستة أشهر -
2 x Intel Deca-Core Xeon E5-2630 v4 / 128GB DDR4 / 4x1TB HDD أو 2x240GB SSD / 1Gbps 10 TB - من 99.33 دولارًا في الشهر ، حتى نهاية أغسطس فقط ،
اطلب يمكن أن يكون
هنا .
ديل R730xd أرخص مرتين؟ فقط لدينا
2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة! اقرأ عن
كيفية بناء مبنى البنية التحتية الطبقة باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟