Viele Spieler auf der ganzen Welt, die die Xbox 360-Ära begonnen haben, sind mit der Situation sehr vertraut, als sich ihre Konsole in eine Pfanne verwandelte, auf der Eier gebraten werden konnten. Eine ähnliche traurige Situation gibt es nicht nur bei Spielekonsolen, sondern auch bei Telefonen, Laptops, Tablets und vielem mehr. Grundsätzlich kann fast jede Elektronik einen Hitzschlag erleiden, der nicht nur zu einem Zusammenbruch und zu Verstimmungen des Besitzers führen kann, sondern auch zu einem „schlechten Boom“ der Batterie und schweren Verletzungen. Heute werden wir mit Ihnen eine Studie treffen, in der Wissenschaftler der Stanford University, wie Nick Fury aus den Comics, einen Schutzschild erstellt haben, der die wärmeempfindlichen Teile der Elektronik vor Überhitzung schützt und dadurch verhindert, dass sie brechen. Wie haben Wissenschaftler es geschafft, einen Wärmeschutz zu schaffen, was sind seine Hauptkomponenten und wie effektiv ist er? Dies und nicht nur wir lernen aus dem Bericht der Forschungsgruppe. Lass uns gehen.
Studienbasis
Das Problem der Überhitzung ist seit langem bekannt und wird von Wissenschaftlern auf verschiedene Weise gelöst. Eine der beliebtesten ist die Einführung von Glas, Kunststoff und sogar Luftschichten, die als eine Art Isolator für Wärmestrahlung dienen. In modernen Realitäten kann dieses Verfahren verbessert werden, indem die Dicke der Schutzschicht auf mehrere Atome reduziert wird, ohne dass die Wärmedämmeigenschaften verloren gehen. Das haben die Forscher getan.
Es geht natürlich um Nanomaterialien. Ihre Verwendung bei der Wärmedämmung wurde jedoch zuvor durch die Tatsache erschwert, dass die Wellenlänge der Kühlmittel (
Phononen * ) viel kürzer ist als die von Elektronen oder Photonen.
Phonon * ist ein Quasiteilchen, das ein Quantum der Schwingungsbewegung von Kristallatomen darstellt.
Darüber hinaus ist es aufgrund der Bosonizität von Phononen unmöglich, sie mittels Spannung zu steuern (wie dies bei Ladungsträgern der Fall ist), was im Allgemeinen die Steuerung der Wärmeübertragung in Festkörpern erschwert.
Zuvor wurden die thermischen Eigenschaften von Festkörpern, wie die Forscher uns erinnern, durch Nanolaminatfilme und Übergitter aufgrund von Strukturstörungen und hoher Grenzflächendichte oder durch Silizium- und Germanium-Nanodrähte aufgrund starker Phononenstreuung gesteuert.
Wissenschaftler sind bereit, eine Reihe der oben genannten Methoden der Wärmedämmung mit zweidimensionalen Materialien zuzuschreiben, deren Dicke mehrere Atome nicht überschreitet, was es einfach macht, sie auf atomarer Ebene zu kontrollieren. In ihrer Studie verwendeten sie die
Van-der-Waals- Anordnung (vdW) atomar dünner 2D-Schichten, um über ihre gesamte Heterostruktur einen sehr hohen Wärmewiderstand zu erzielen.
Van-der-Waals-Kräfte * - Kräfte der intermolekularen / interatomaren Wechselwirkung mit einer Energie von 10-20 kJ / mol.
Die neue Technik ermöglichte es, einen Wärmewiderstand in einer vdW-Heterostruktur mit einer Dicke von 2 nm zu erhalten, vergleichbar mit dem in einer SiO
2 -Schicht (Siliziumdioxid) mit einer Dicke von 300 nm.
Darüber hinaus ermöglichte die Verwendung von vdW-Heterostrukturen die Kontrolle über die thermischen Eigenschaften auf atomarer Ebene, indem heterogene zweidimensionale Monoschichten mit unterschiedlichen Atommassendichten und Schwingungsmoden geschichtet wurden.
Wir werden die Katze also nicht am Schnurrbart ziehen und die Ergebnisse dieser erstaunlichen Studie betrachten.
Forschungsergebnisse
Zunächst werden wir uns mit den mikrostrukturellen und optischen Eigenschaften der in dieser Studie verwendeten vdW-Heterostrukturen vertraut machen.
Bild Nr. 11a zeigt ein Querschnittsdiagramm einer vierschichtigen Heterostruktur, die aus (von oben nach unten) Graphen (Gr), MoSe
2 , MoS
2 , WSe
2 2 und einem SiO
2 / Si-Substrat besteht. Zum gleichzeitigen Abtasten aller Schichten wird ein
Raman-Laser * mit einer Wellenlänge von 532 nm verwendet.
Raman-Laser * ist ein Lasertyp, bei dem die Raman-Streuung der Hauptmechanismus für die Lichtverstärkung ist.
Raman-Streuung ist wiederum eine unelastische Streuung der optischen Strahlung durch die Moleküle einer Substanz, die mit einer signifikanten Änderung der Strahlungsfrequenz einhergeht.
Zur Bestätigung der mikrostrukturellen, thermischen und elektrischen Homogenität der Heterostrukturen wurden verschiedene Methoden angewendet: Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM), Photolumineszenzspektroskopie (PL), Sonden-Kelvin-Mikroskopie (KPM), Rasterthermomikroskopie (SThM) sowie Raman-Spektroskopie und Thermometrie .
Bild
1b zeigt uns das Raman-Spektrum der Gr / MoSe
2 / MoS
2 / WSe2
2 -Heterostruktur auf einem SiO
2 / Si-Substrat an der durch den roten Punkt angegebenen Stelle. Dieses Diagramm zeigt die Signatur jeder Monoschicht in der Schichtanordnung sowie die Signatur des Si-Substrats.
1c -
1f zeigt Dunkelfeld-STEM-Bilder der Gr / MoSe
2 / MoS
2 / WSe2
2 -Heterostruktur (
1c ) und der Gr / MoS
2 / WSe2
2 (
1d -
1f ) -Heterostruktur mit unterschiedlichen Gitterorientierungen. STEM-Bilder zeigen atomar geschlossene vdW-Lücken ohne Kontamination, sodass Sie die Gesamtdicke dieser Heterostrukturen vollständig sehen können. Das Vorhandensein einer Zwischenschichtkommunikation wurde auch in großen Bereichen des Scannens mittels Photolumineszenz (PL) -Spektroskopie (1
g ) bestätigt. Das Photolumineszenzsignal einzelner Schichten innerhalb der Heterostruktur wird im Vergleich zum Signal einer isolierten Monoschicht signifikant unterdrückt. Dies erklärt sich aus dem Prozess der Ladungsübertragung zwischen den Schichten aufgrund der engen Wechselwirkung zwischen den Schichten, die nach dem Tempern noch stärker wird.
Bild Nr. 2Um den Wärmefluss senkrecht zu den Atomebenen der Heterostruktur zu messen, wurde die Schichtanordnung in Form von elektrischen Geräten mit vier Sonden strukturiert. Die oberste Graphenschicht steht in Kontakt mit Palladium (Pd) -Elektroden und wird als Heizelement zur Messung der Raman-Thermometrie verwendet.
Diese elektrische Heizmethode liefert eine genaue Quantifizierung der Eingangsleistung. Ein anderes mögliches optisches Heizverfahren wäre aufgrund der Unkenntnis der Absorptionskoeffizienten einzelner Schichten schwieriger zu implementieren.
2a zeigt ein
Messschema mit vier Sonden und
2b zeigt eine Draufsicht auf die Teststruktur. Grafik
2c zeigt die gemessenen Wärmeübertragungseigenschaften für drei Geräte, von denen eines nur Graphen enthält, und zwei Anordnungen von Gr / WSe2
2 - und Gr / MoSe
2 / WSe2
2 -Schichten. Alle Varianten zeigen das ambipolare Verhalten von Graphen, das mit dem Fehlen einer verbotenen Zone verbunden ist.
Es wurde auch gefunden, dass Stromleitfähigkeit und Erwärmung in der oberen Schicht (in Graphen) auftreten, da ihre elektrische Leitfähigkeit mehrere Größenordnungen höher ist als die von MoS
2 und WSe2
2 .
Um die Homogenität der getesteten Geräte zu demonstrieren, wurden Messungen unter Verwendung von Sonden-Kelvin-Mikroskopie (KPM) und Rasterthermomikroskopie (SThM) durchgeführt. Grafik
2d zeigt KPM-Messungen, die eine lineare Potentialverteilung zeigen. Die Ergebnisse der SThM-Analyse sind in
2e gezeigt. Hier sehen wir eine Karte der elektrisch beheizten Gr / MoS
2 / WSe2
2 -Kanäle sowie das Vorhandensein einer Gleichmäßigkeit bei der Oberflächenerwärmung.
Die oben beschriebenen Abtasttechniken, insbesondere SThM, bestätigten die Homogenität der untersuchten Struktur, dh ihre Homogenität in Bezug auf die Temperatur. Der nächste Schritt war die quantitative Bestimmung der Temperatur jeder der Bestandteilsschichten, durchgeführt unter Verwendung von Raman-Spektroskopie (d. H. Raman-Spektroskopie).
Alle drei Geräte wurden getestet, deren Fläche jeweils ~ 40 μm
2 betrug. In diesem Fall wurde die Heizleistung um 9 mW geändert, und die Leistung des absorbierten Lasers war bei einer Laserpunktfläche von ~ 0,5 μm
2 niedriger als ~ 5 μW.
Bild Nr. 3Grafik
3a zeigt einen Temperaturanstieg (∆T) jeder Schicht und jedes Substrats, wenn die Heizleistung in der Gr / MoS
2 / WSe2
2 -Heterostruktur zunimmt.
Die Steigungen der linearen Funktion für jedes Material (Schicht) geben den Wärmewiderstand (R
th = ∆T / P) zwischen einer einzelnen Schicht und einem Kühlkörper an. Aufgrund der gleichmäßigen Verteilung der Erwärmung über die Fläche ist der Wärmewiderstand von der unteren zur oberen Schicht recht einfach zu analysieren, wobei ihre Werte durch die Kanalfläche (WL) normalisiert werden.
L und W sind die Länge und Breite des Kanals, die die Dicke des SiO
2 -Substrats und die seitliche Länge der thermischen Erwärmung, die ~ 0,1 & mgr; m beträgt, signifikant überschreiten.
Daher können wir die Formel für den Wärmewiderstand des Si-Substrats ableiten, die folgendermaßen aussehen wird:
R
th, Si ≤ (WL)
1/2 / (2
k Si )
In dieser Situation ist
k Si ≤ 90 W m
- 1 K
- 1 , was die erwartete Wärmeleitfähigkeit eines solchen hochdotierten Substrats ist.
Die Differenz zwischen R
th, WSe 2 und R
th, Si ist die Summe des Wärmewiderstands von SiO
2 mit einer Dicke von 100 nm und des Grenzwärmewiderstands (TBR) der WSe
2 / SiO
2 -Schnittstelle.
Durch Kombination aller obigen Aspekte kann festgestellt werden, dass Rth, MoS
2 - Rth, WSe
2 = TBRMoS
2 / WSe
2 und Rth, Gr - Rth, MoS
2 = TBRGr / MoS
2 . Daher kann TBR für jede der WSe
2 / SiO
2 - , MoS
2 / WSe
2 - und Gr / MoS
2 -Schnittstellen aus Graph
3a extrahiert werden.
Anschließend verglichen die Wissenschaftler den gesamten Wärmewiderstand aller durch Raman-Spektroskopie und Thermomikroskopie gemessenen Heterostrukturen (
3b ).
Zweischichtige und dreischichtige SiO
2 -Heterostrukturen zeigten bei Raumtemperatur einen effektiven Wärmewiderstand im Bereich von 220 bis 280 m
2 · K / GW, was dem Wärmewiderstand von SiO
2 mit einer Dicke von 290 bis 360 nm entspricht. Trotz der Tatsache, dass die Dicke der untersuchten Heterostrukturen 2 nm (
1d -
1f ) nicht überschreitet, beträgt ihre Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur 0,007–0,009 W m
- 1 K
- 1 .
Bild Nr. 4Bild 4 zeigt die Ergebnisse von Messungen aller vier Strukturen und die Grenzwärmeleitfähigkeit (TBC) ihrer Grenzflächen, wodurch wir den Grad des Einflusses jeder Schicht auf den zuvor gemessenen Wärmewiderstand (TBC = 1 / TBR) abschätzen können.
Die Forscher stellen fest, dass dies die erste TBC-Messung für atomar enge Grenzflächen zwischen einzelnen Monoschichten (2D / 2D) ist, insbesondere zwischen den Monoschichten WSe
2 und SiO
2 .
Die TBC der WSe
2 / SiO
2 -Monoschicht-Grenzfläche ist niedriger als die der WSe
2 / SiO
2 -Multischicht-Grenzfläche, was nicht überraschend ist, da für die Monoschicht deutlich weniger Biege-Phonon-Modi zur Übertragung verfügbar sind. Einfach ausgedrückt ist die TBC-Grenzfläche zwischen den 2D-Schichten niedriger als die TBC-Grenzfläche zwischen der 2D-Schicht und dem 3D-SiO
2 -Substrat (
4b ).
Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den
Bericht von Wissenschaftlern und
zusätzliche Materialien zu lesen.
Nachwort
Diese Studie gibt uns nach Ansicht der Wissenschaftler selbst Wissen, das bei der Implementierung atomarer thermischer Grenzflächen angewendet werden kann. Diese Arbeit zeigte die Möglichkeit, wärmeisolierende Metamaterialien herzustellen, deren Eigenschaften in der Natur nicht zu finden sind. Darüber hinaus bestätigte die Studie auch die Möglichkeit, trotz der atomaren Skala der Schichten genaue Temperaturmessungen solcher Strukturen durchzuführen.
Die oben beschriebenen Heterostrukturen können zur Grundlage ultraleichter und kompakter thermischer „Abschirmungen“ werden, die beispielsweise Wärme von heißen Stellen in der Elektronik abführen können. Darüber hinaus kann diese Technologie in thermoelektrischen Generatoren oder in thermisch gesteuerten Geräten eingesetzt werden, um deren Produktivität zu steigern.
Diese Studie bestätigt einmal mehr, dass die moderne Wissenschaft ernsthaft von dem Prinzip der "Effizienz in einem Fingerhut" mitgerissen wird, das angesichts der begrenzten Ressourcen des Planeten und der stetig steigenden Nachfrage nach allen Arten von technologischen Innovationen nicht als dummes Unterfangen bezeichnet werden kann.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs! :) :)
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