العديد من اللاعبين في جميع أنحاء العالم الذين شرعوا في عصر Xbox 360 على دراية بالوضع عندما تحولت وحدة التحكم الخاصة بهم إلى مقلاة قلي البيض. تم العثور على موقف محزن مماثل ليس فقط مع أجهزة الألعاب ، ولكن أيضًا مع الهواتف وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة اللوحية والمزيد. من حيث المبدأ ، يمكن لأي إلكترونيات تقريبًا أن تواجه ضربة شمس ، والتي يمكن أن تؤدي ليس فقط إلى انهيارها وإزعاج مشاعر مالكها ، ولكن أيضًا إلى "طفرة سيئة" للبطارية وإصابات خطيرة. سنلتقي بكم اليوم دراسة قام فيها علماء من جامعة ستانفورد ، مثل نيك فيوري من الكوميديا ، بإنشاء درع يحمي الأجزاء الحساسة للحرارة من الإلكترونيات من ارتفاع درجة الحرارة ، ونتيجة لذلك ، يمنعهم من الانهيار. كيف تمكن العلماء من إنشاء درع حراري وما مكوناته الرئيسية وما مدى فاعليته؟ هذا وليس فقط نتعلم من تقرير مجموعة البحث. دعنا نذهب.
أساس الدراسة
مشكلة الانهاك معروفة منذ وقت طويل للغاية ، والعلماء حلها في مجموعة متنوعة من الطرق. واحدة من الأكثر شعبية هو إدخال الزجاج والبلاستيك وحتى طبقات من الهواء ، والتي تكون بمثابة نوع من العوازل للإشعاع الحراري. في الواقع الحديث ، يمكن تحسين هذه الطريقة عن طريق تقليل سمك الطبقة الواقية إلى عدة ذرات ، دون فقدان خصائص العزل الحراري. هذا ما فعله الباحثون.
إنه ، بالطبع ، حول المواد النانوية. ومع ذلك ، فإن استخدامها في العزل الحراري كان معقدًا في السابق من خلال حقيقة أن الطول الموجي لمبرد المبردات (
الفونونات * ) أقصر بكثير من الإلكترونات أو الفوتونات.
Phonon * هو جسيم شبه يمثل كمية من الحركة الاهتزازية للذرات البلورية.
بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لطبيعة الصوتيات الفونونية ، من المستحيل التحكم فيها عن طريق الجهد (كما يحدث مع حاملات الشحن) ، مما يعقد عمومًا التحكم في نقل الحرارة في المواد الصلبة.
في السابق ، كان يتم التحكم في الخصائص الحرارية للمواد الصلبة ، كما يذكرنا الباحثون ، عن طريق أفلام النانولامينات والشبكات الفائقة بسبب الاضطراب الهيكلي والكثافة العالية للواجهات ، أو عن طريق أسلاك السيليكون والجرمانيوم بسبب تشتت الفونون القوي.
العلماء على استعداد للرجوع إلى عدد من الأساليب المذكورة أعلاه للعزل الحراري بمواد ثنائية الأبعاد ، لا يتجاوز سمكها عدة ذرات ، مما يجعل من السهل التحكم فيها على مقياس ذري. في دراستهم ، استخدموا مجموعة
van der Waals (vdW) لطبقات ثنائية الأبعاد رقيقة ذريًا لتحقيق مقاومة حرارية عالية جدًا على هيكلها المتغاير بأكمله.
قوى فان دير فالس * - قوى التفاعل بين الجزيئات / interatomic مع طاقة 10-20 كيلو جول / مول.
أتاحت هذه التقنية الجديدة الحصول على مقاومة حرارية في هيكل متباين vdW بسماكة 2 نانومتر ، قابلة للمقارنة مع تلك الموجودة في طبقة SiO
2 (ثاني أكسيد السيليكون) بسماكة 300 نانومتر.
بالإضافة إلى ذلك ، فإن استخدام البنى المتغايرة vdW مكّن من التحكم في الخواص الحرارية على المستوى الذري من خلال وضع طبقات أحادية ثنائية اللون غير متجانسة ذات كثافات مختلفة للكتلة الذرية وأنماط اهتزازية.
لذلك ، لن نقوم بسحب القطة بجانب الشارب والمضي قدماً في دراسة نتائج هذه الدراسة المذهلة.
نتائج البحوث
بادئ ذي بدء ، سوف نتعرف على الخصائص المجهرية والبصرية لهيديات heterostructures المستخدمة في هذه الدراسة.
الصورة رقم 1يوضح الشكل
1 أ مخططًا مقطعيًا لبنية متغايرة مكونة من أربعة طبقات تتكون من (من الأعلى إلى الأسفل): الجرافين (Gr) و MoSe
2 و MoS
2 و WSe2
2 وطبقة ركيزة SiO
2 / Si. للمسح المتزامن لجميع الطبقات ، يتم استخدام
ليزر رامان * بطول موجة 532 نانومتر.
الليزر رامان * هو نوع من الليزر التي نثر رامان هو الآلية الرئيسية لتضخيم الضوء.
نثر رامان ، بدوره ، هو نثر غير مرن للإشعاع البصري بواسطة جزيئات مادة ما ، يرافقه تغير كبير في تردد الإشعاع.
تم استخدام عدة طرق لتأكيد التجانس المجهرية والحرارية والكهربائية للهياكل غير المتجانسة: المسح المجهر الإلكتروني للإرسال (STEM) ، التحليل الطيفي الضوئي (PL) ، التحقيق المجهر كلفن (KPM) ، المسح المجهري الحراري (STHM) ، المسح الطيفي الحراري ورامان .
تُظهر لنا الصورة
1 ب طيف رامان للبنية المتغايرة Gr / MoSe
2 / MoS
2 / WSe2
2 على ركيزة SiO
2 / Si في الموقع المشار إليه بواسطة النقطة الحمراء. يوضح هذا الرسم البياني توقيع كل طبقة أحادية في مصفوفة الطبقة ، بالإضافة إلى توقيع الطبقة التحتية Si.
1c -
1f تُظهر صور STEM المظلمة للحقل المتغاير Gr / MoSe
2 / MoS
2 / WSe2
2 (
1c ) والهيكلة المتغايرة Gr / MoS
2 / WSe2
2 (
1d -
1f ) ذات اتجاهات شعرية مختلفة. تُظهر صور STEM فجوات vdW قريبة ذريًا دون أي تلوث ، مما يسمح لك برؤية السماكة الكلية لهذه الهياكل المتغايرة بالكامل. تم تأكيد وجود اتصال بين الطبقات أيضًا في مناطق واسعة من المسح الضوئي عن طريق التحليل الطيفي الضوئي (
1G ). يتم قمع إشارة الإشارة الضوئية للطبقات الفردية داخل الهيكل المتغاير بشكل كبير مقارنةً بإشارة طبقة أحادية الطبقة معزولة. يفسر ذلك عملية نقل رسوم البينية بسبب التفاعل البيني البيني ، الذي يصبح أقوى بعد التلدين.
الصورة رقم 2من أجل قياس تدفق الحرارة بشكل عمودي على الطائرات الذرية للهيكل المتغاير ، تم تشكيل مجموعة الطبقات في شكل أجهزة كهربائية رباعية التحقيق. الطبقة العليا من الجرافين على اتصال بأقطاب البلاديوم (Pd) وتستخدم كسخان لقياس قياس حرارة رامان.
توفر طريقة التسخين الكهربائية هذه تقديرًا دقيقًا لمدخلات الطاقة. هناك طريقة أخرى ممكنة للتسخين ، بصري ، سيكون تنفيذها أكثر صعوبة بسبب الجهل بمعاملات الامتصاص للطبقات الفردية.
يُظهر
2 أ مخطط قياس أربعة مسبار ، ويظهر
2b عرضًا
علويًا لهيكل الاختبار. يوضح الرسم البياني
2c خصائص نقل الحرارة المقاسة لثلاثة أجهزة ، إحداها تحتوي فقط على جرافين ، ومصفوفتين من Gr / WSe2
2 و Gr / MoSe
2 / WSe2
2 . تُظهر جميع المتغيرات السلوك الثنائي القطب للجرافين ، والذي يرتبط بعدم وجود منطقة محظورة.
وقد وجد أيضًا أن الموصلية الحالية والتدفئة تحدثان في الطبقة العليا (في الجرافين) ، نظرًا لأن الموصلية الكهربية لها أعلى عدة مرات من تلك الموجودة في MoS
2 و WSe2
2 .
لإثبات تجانس الأجهزة المختبرة ، تم إجراء قياسات باستخدام مجهر كلفن المجهر (KPM) ومسح المجهر الحراري (SThM). يوضح الرسم البياني
2d قياسات KPM التي تكشف عن توزيع خطي محتمل وتظهر نتائج تحليل STHM في 2E. هنا نرى خريطة لقنوات Gr / MoS
2 / WSe2
2 التي يتم تسخينها كهربائيًا ، بالإضافة إلى وجود التوحيد في التدفئة السطحية.
أكدت تقنيات المسح الموصوفة أعلاه ، وخاصة SThM ، تجانس الهيكل قيد الدراسة ، أي تجانسه ، من حيث درجة الحرارة. كانت الخطوة التالية هي التحديد الكمي لدرجة حرارة كل طبقة من الطبقات المكونة ، والتي تم إجراؤها باستخدام التحليل الطيفي لرامان (أي التحليل الطيفي للرامان).
تم اختبار جميع الأجهزة الثلاثة ، وكانت مساحة كل منها ~ 40 ميكرون
2 . في هذه الحالة ، تم تغيير طاقة السخان بمقدار 9 ميغاواط ، وكانت طاقة الليزر الممتص أقل من ~ 5 μW في منطقة بقعة ليزر تبلغ 0.5 ميكرومتر
2 .
الصورة رقم 3يُبيِّن الرسم البياني
3 أ زيادة في درجة الحرارة (ofT) لكل طبقة وركيزة مع زيادة طاقة السخان في الهيكل المتغاير Gr / MoS
2 / WSe2
2 .
تشير منحدرات الوظيفة الخطية لكل مادة (طبقة) إلى المقاومة الحرارية (R
th = /T / P) بين طبقة واحدة ومغسلة حرارية. بالنظر إلى التوزيع الموحد للتدفئة على المنطقة ، فإن المقاومة الحرارية بسيطة للغاية في التحليل من الطبقة السفلى إلى الطبقة العليا ، والتي يتم خلالها تطبيع قيمها من خلال منطقة القناة (WL).
L و W هما طول وعرض القناة ، اللذان يتجاوزان بشكل كبير سمك الركيزة SiO
2 والطول الجانبي للتدفئة الحرارية ، التي تبلغ 0.1 ميكرومتر تقريبًا.
لذلك ، يمكننا استخلاص صيغة المقاومة الحرارية للركيزة Si ، والتي ستبدو كما يلي:
R
th، Si ≈ (WL)
1/2 / (2
k Si )
في هذه الحالة ،
k Si ≈ 90 W m
- 1 K
- 1 ، وهو التوصيل الحراري المتوقع لمثل هذه الركيزة المخدرة للغاية.
الفرق بين R
th و WSe 2 و R
th، Si هو مجموع المقاومة الحرارية لـ SiO
2 بسماكة 100 نانومتر والمقاومة الحرارية الحدودية (TBR) للواجهة WSe
2 / SiO
2 .
بتجميع جميع الجوانب المذكورة أعلاه ، يمكننا أن نثبت أن Rth ، MoS
2 - Rth ، WSe
2 = TBRMoS
2 / WSe
2 ، و Rth ، Gr - Rth ، MoS
2 = TBRGr / MoS
2 . لذلك ، يمكن استخراج TBR لكل من واجهات WSe
2 / SiO
2 و MoS
2 / WSe
2 و Gr / MoS
2 من الرسم البياني
3a .
بعد ذلك ، قارن العلماء المقاومة الحرارية الكلية لجميع البنى المتغايرة المقاسة بواسطة التحليل الطيفي للرامان والمجهر الحراري (
3 ب ).
أظهرت الهياكل المزدوجة SiO
2 ثنائية الطبقة والمقاومة الحرارية الفعالة في النطاق من 220 إلى 280 م
2 · K / GW في درجة حرارة الغرفة ، وهو ما يعادل المقاومة الحرارية لـ SiO
2 بسمك من 290 إلى 360 نانومتر. على الرغم من أن سمك الهياكل المتغايرة المدروسة لا يتجاوز 2 نانومتر (
1d -
1f ) ، فإن الموصلية الحرارية لها تتراوح بين 0.007
- 0.009 W م
- 1 ك
1 في درجة حرارة الغرفة.
الصورة رقم 4تُظهر الصورة 4 نتائج قياسات جميع الهياكل الأربعة والتوصيل الحراري الحدودي (TBC) لواجهاتهم ، مما يسمح لنا بتقدير درجة تأثير كل طبقة على المقاومة الحرارية المقاسة سابقًا (TBC = 1 / TBR).
يلاحظ الباحثون أن هذا هو أول قياس TBC على الإطلاق للواجهات المقربة ذريًا بين الطبقات الأحادية الفردية (2D / 2D) ، وخاصة بين المونولاير WSe
2 و SiO
2 .
تعد TBC لواجهة أحادي الطبقة WSe
2 / SiO
2 أقل من الواجهة متعددة الطبقات WSe
2 / SiO
2 ، وهذا ليس مستغربًا ، لأن الطبقة الأحادية الطبقة بها عدد أقل بكثير من أوضاع الفونون الانحناء المتاحة للإرسال. ببساطة ، تكون واجهة TBC بين الطبقات ثنائية الأبعاد أقل من واجهة TBC بين الطبقة ثنائية الأبعاد والركيزة ثلاثية الأبعاد SiO
2 (
4b ).
للحصول على معلومات أكثر تفصيلاً عن الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بأن تنظر في
تقرير العلماء ومواد
إضافية إليه.
خاتمة
هذه الدراسة ، وفقا للعلماء أنفسهم ، تعطينا المعرفة التي يمكن تطبيقها في تنفيذ واجهات الحرارية الذرية. أظهر هذا العمل إمكانية إنشاء مواد عزل عازلة للحرارة لا توجد خصائص لها في الطبيعة. بالإضافة إلى ذلك ، أكدت الدراسة أيضًا إمكانية إجراء قياسات دقيقة لدرجات الحرارة لهذه الهياكل ، على الرغم من النطاق الذري للطبقات.
يمكن أن تصبح الهياكل غير المتجانسة الموصوفة أعلاه أساسًا للدروع الحرارية الخفيفة والمدمجة ، القادرة ، على سبيل المثال ، على إزالة الحرارة من النقاط الساخنة في الإلكترونيات. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام هذه التقنية في المولدات الكهربائية الحرارية أو في الأجهزة التي يتم التحكم فيها حرارياً ، مما يزيد من إنتاجيتها.
تؤكد هذه الدراسة مرة أخرى أن العلم الحديث يتم تنفيذه بجدية من خلال مبدأ "الكفاءة في كشتبان" ، والذي لا يمكن أن يسمى تعهدًا غبيًا ، نظرًا لمحدودية موارد الكوكب والزيادة المستمرة في الطلب على جميع أنواع الابتكارات التكنولوجية.
شكرا لك على اهتمامك ، ابقَ فضوليًا ولديك أسبوع عمل جيدًا يا شباب! :)
شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ،
خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).
ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ فقط لدينا
2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجا بايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت ذاكرة DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولارًا! اقرأ عن
كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟