De nombreux joueurs du monde entier qui se sont lancés dans l'ère de la Xbox 360 connaissent très bien la situation lorsque leur console s'est transformée en une casserole sur laquelle faire frire des œufs. Une triste situation similaire se retrouve non seulement avec les consoles de jeux, mais aussi avec les téléphones, les ordinateurs portables, les tablettes et bien plus encore. En principe, presque tous les appareils électroniques peuvent subir un coup de chaleur, ce qui peut entraîner non seulement la panne et les sentiments bouleversés de leur propriétaire, mais également le «mauvais boom» de la batterie et des blessures graves. Aujourd'hui, nous vous rencontrerons une étude dans laquelle des scientifiques de l'Université de Stanford, comme Nick Fury des bandes dessinées, ont créé un bouclier qui protège les parties sensibles à la chaleur de l'électronique de la surchauffe et, par conséquent, les empêche de se briser. Comment les scientifiques ont-ils réussi à créer un bouclier thermique, quels sont ses principaux composants et quelle est son efficacité? Ceci et pas seulement nous apprenons du rapport du groupe de recherche. Allons-y.
Base d'étude
Le problème de la surchauffe est connu depuis très longtemps et les scientifiques le résolvent de différentes manières. L'un des plus populaires est l'introduction de verre, de plastique et même de couches d'air, qui servent de sorte d'isolateurs de rayonnement thermique. Dans les réalités modernes, cette méthode peut être améliorée en réduisant l'épaisseur de la couche protectrice à plusieurs atomes, sans perdre ses propriétés d'isolation thermique. C'est ce que les chercheurs ont fait.
Il s'agit bien sûr de nanomatériaux. Cependant, leur utilisation dans l'isolation thermique était auparavant compliquée par le fait que la longueur d'onde des caloporteurs (
phonons * ) est beaucoup plus courte que celle des électrons ou des photons.
Phonon * est une quasiparticule représentant un quantum de mouvement vibratoire des atomes de cristal.
De plus, en raison de la nature bosonique des phonons, il est impossible de les contrôler au moyen de la tension (comme cela se fait avec les porteurs de charge), ce qui complique généralement le contrôle du transfert de chaleur dans les solides.
Auparavant, les propriétés thermiques des solides étaient contrôlées, comme nous le rappellent les chercheurs, au moyen de films de nanolaminé et de superréseaux en raison de troubles structurels et d'une haute densité d'interfaces, ou au moyen de nanofils de silicium et de germanium en raison d'une forte diffusion de phonons.
Les scientifiques sont prêts à attribuer à un certain nombre des méthodes d'isolation thermique ci-dessus avec des matériaux bidimensionnels, dont l'épaisseur ne dépasse pas plusieurs atomes, ce qui facilite leur contrôle à l'échelle atomique. Dans leur étude, ils ont utilisé l'assemblage
van der Waals (vdW) de couches 2D atomiquement minces pour obtenir une résistance thermique très élevée sur toute leur hétérostructure.
Forces de Van der Waals * - forces d'interaction intermoléculaire / interatomique avec une énergie de 10-20 kJ / mol.
La nouvelle technique a permis d'obtenir une résistance thermique dans une hétérostructure vdW d'une épaisseur de 2 nm, comparable à celle d'une couche de SiO
2 (dioxyde de silicium) d'une épaisseur de 300 nm.
De plus, l'utilisation d'hétérostructures vdW a permis de contrôler les propriétés thermiques au niveau atomique en superposant des monocouches hétérogènes bidimensionnelles avec des densités de masse atomique et des modes de vibration différents.
Donc, nous ne tirerons pas le chat par la moustache et ne considérerons pas les résultats de cette étonnante étude.
Résultats de recherche
Tout d'abord, nous nous familiariserons avec les caractéristiques microstructurales et optiques des hétérostructures vdW utilisées dans cette étude.
Image n ° 1La figure
1a montre un diagramme en coupe d'une hétérostructure à quatre couches constituée (de haut en bas): graphène (Gr), MoSe
2 , MoS
2 , WSe2
2 et un substrat SiO
2 / Si. Pour le balayage simultané de toutes les couches, un
laser Raman * d'une longueur d'onde de 532 nm est utilisé.
Le laser Raman * est un type de laser dans lequel la diffusion Raman est le principal mécanisme d'amplification de la lumière.
La diffusion Raman , à son tour, est une diffusion inélastique du rayonnement optique par les molécules d'une substance, qui s'accompagne d'un changement significatif de la fréquence du rayonnement.
Plusieurs méthodes ont été utilisées pour confirmer l'homogénéité microstructurale, thermique et électrique des hétérostructures: microscopie électronique à transmission à balayage (STEM), spectroscopie photoluminescente (PL), microscopie à sonde Kelvin (KPM), microscopie thermique à balayage (SThM) et spectroscopie Raman et thermométrie .
L'image
1b nous montre le spectre Raman de l'hétérostructure Gr / MoSe
2 / MoS
2 / WSe2
2 sur un substrat SiO
2 / Si à l'emplacement indiqué par le point rouge. Ce graphique montre la signature de chaque monocouche dans le réseau de couches, ainsi que la signature du substrat en Si.
1c -
1f montre des images STEM en champ sombre de l'hétérostructure Gr / MoSe
2 / MoS
2 / WSe2
2 (
1c ) et l'hétérostructure Gr / MoS
2 / WSe2
2 (
1d -
1f ) avec différentes orientations de réseau. Les images STEM montrent des espaces vdW étroitement atomiques sans aucune contamination, ce qui vous permet de voir pleinement l'épaisseur totale de ces hétérostructures. La présence d'une communication intercouche a également été confirmée dans de vastes zones de balayage au moyen de la spectroscopie photoluminescente (PL) (
1 g ). Le signal photoluminescent de couches individuelles à l'intérieur de l'hétérostructure est considérablement supprimé par rapport au signal d'une monocouche isolée. Cela s'explique par le processus de transfert de charge intercouche dû à l'interaction étroite entre les couches, qui devient encore plus forte après recuit.
Image n ° 2Afin de mesurer le flux de chaleur perpendiculaire aux plans atomiques de l'hétérostructure, le réseau de couches a été structuré sous la forme d'appareils électriques à quatre sondes. La couche supérieure de graphène est en contact avec des électrodes en palladium (Pd) et sert de chauffage pour mesurer la thermométrie Raman.
Cette méthode de chauffage électrique fournit une quantification précise de la puissance d'entrée. Une autre méthode de chauffage possible, optique, serait plus difficile à mettre en œuvre en raison de l'ignorance des coefficients d'absorption des couches individuelles.
2a montre un schéma de mesure à quatre sondes, et
2b montre une vue de dessus de la structure de test. Le graphique
2c montre les caractéristiques de transfert de chaleur mesurées pour trois appareils, dont l'un ne contient que du graphène, et deux réseaux de couches Gr / WSe2
2 et Gr / MoSe
2 / WSe2
2 . Toutes les variantes démontrent le comportement ambipolaire du graphène, qui est associé à l'absence de zone interdite.
Il a également été constaté que la conductivité et le chauffage actuels se produisent dans la couche supérieure (en graphène), car sa conductivité électrique est de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle de MoS
2 et WSe2
2 .
Pour démontrer l'homogénéité des dispositifs testés, des mesures ont été effectuées en utilisant la microscopie à sonde Kelvin (KPM) et la microscopie thermique à balayage (SThM). Le graphique
2d montre des mesures de KPM révélant une distribution de potentiel linéaire. Les résultats de l'analyse SThM sont présentés en
2e . Nous voyons ici une carte des canaux Gr / MoS
2 / WSe2
2 chauffés électriquement, ainsi que la présence d'uniformité dans le chauffage de surface.
Les techniques de balayage décrites ci-dessus, en particulier SThM, ont confirmé l'homogénéité de la structure étudiée, c'est-à-dire son homogénéité, en termes de température. L'étape suivante était la détermination quantitative de la température de chacune des couches constitutives, effectuée en utilisant la spectroscopie Raman (c'est-à-dire la spectroscopie Raman).
Les trois appareils ont été testés, la surface de chacun étant d'environ 40 μm
2 . Dans ce cas, la puissance du réchauffeur a été modifiée de 9 mW, et la puissance du laser absorbé était inférieure à ~ 5 μW à une zone de spot laser de ~ 0,5 μm
2 .
Image n ° 3Le graphique
3a montre une augmentation de la température (∆T) de chaque couche et substrat lorsque la puissance du réchauffeur augmente dans l'hétérostructure Gr / MoS
2 / WSe2
2 .
Les pentes de la fonction linéaire pour chaque matériau (couche) indiquent une résistance thermique (R
th = ∆T / P) entre une seule couche et un dissipateur thermique. Étant donné la distribution uniforme du chauffage sur la zone, la résistance thermique est assez simple à analyser de la couche inférieure à la couche supérieure, au cours de laquelle leurs valeurs sont normalisées par la zone de canal (WL).
L et W sont la longueur et la largeur du canal, qui dépassent considérablement l'épaisseur du substrat de SiO
2 et la longueur latérale de chauffage thermique, qui est de ~ 0,1 μm.
Par conséquent, nous pouvons dériver la formule de la résistance thermique du substrat en Si, qui ressemblera à ceci:
R
th, Si ≈ (WL)
1/2 / (2
k Si )
Dans cette situation,
k Si ≈ 90 W m
- 1 K
- 1 , qui est la conductivité thermique attendue d'un tel substrat fortement dopé.
La différence entre R
th, WSe 2 et R
th, Si est la somme de la résistance thermique de SiO
2 avec une épaisseur de 100 nm et de la résistance thermique limite (TBR) de l'interface WSe
2 / SiO
2 .
En rassemblant tous les aspects ci-dessus, nous pouvons établir que Rth, MoS
2 - Rth, WSe
2 = TBRMoS
2 / WSe
2 , et Rth, Gr - Rth, MoS
2 = TBRGr / MoS
2 . Par conséquent, le TBR pour chacune des interfaces WSe
2 / SiO
2 , MoS
2 / WSe
2 et Gr / MoS
2 peut être extrait du graphique
3a .
Ensuite, les scientifiques ont comparé la résistance thermique totale de toutes les hétérostructures mesurée par spectroscopie Raman et microscopie thermique (
3b ).
Les hétérostructures de SiO
2 à deux et trois couches ont montré une résistance thermique efficace dans la plage de 220 à 280 m
2 · K / GW à température ambiante, ce qui équivaut à la résistance thermique de SiO
2 avec une épaisseur de 290 à 360 nm. Malgré le fait que l'épaisseur des hétérostructures étudiées ne dépasse pas 2 nm (
1d -
1f ), leur conductivité thermique est de 0,007–0,009 W m
- 1 K
- 1 à température ambiante.
Image n ° 4L'image 4 montre les résultats des mesures des quatre structures et la conductivité thermique limite (TBC) de leurs interfaces, ce qui nous permet d'estimer le degré d'influence de chaque couche sur la résistance thermique précédemment mesurée (TBC = 1 / TBR).
Les chercheurs notent qu'il s'agit de la toute première mesure TBC pour les interfaces atomiquement proches entre des monocouches individuelles (2D / 2D), en particulier entre les monocouches WSe
2 et SiO
2 .
Le TBC de l'interface monocouche WSe
2 / SiO
2 est inférieur à celui de l'interface multicouche WSe
2 / SiO
2 , ce qui n'est pas surprenant, car la monocouche a beaucoup moins de modes phonon de flexion disponibles pour la transmission. En termes simples, l'interface TBC entre les couches 2D est inférieure à l'interface TBC entre la couche 2D et le substrat 3D SiO
2 (
4b ).
Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le
rapport des scientifiques et
les documents supplémentaires qui s'y rapportent.
Épilogue
Cette étude, selon les scientifiques eux-mêmes, nous donne des connaissances qui peuvent être appliquées dans la mise en œuvre des interfaces thermiques atomiques. Ces travaux ont montré la possibilité de créer des métamatériaux calorifuges dont les propriétés ne se retrouvent pas dans la nature. En outre, l'étude a également confirmé la possibilité de faire des mesures précises de la température de ces structures, malgré l'échelle atomique des couches.
Les hétérostructures décrites ci-dessus peuvent devenir la base de «boucliers» thermiques ultralégers et compacts, capables, par exemple, d'évacuer la chaleur des points chauds de l'électronique. De plus, cette technologie peut être utilisée dans des générateurs thermoélectriques ou dans des appareils à commande thermique, augmentant ainsi leur productivité.
Cette étude confirme une fois de plus que la science moderne est sérieusement emportée par le principe de "l'efficacité dans un dé à coudre", qui ne peut pas être qualifié d'entreprise stupide, étant donné les ressources limitées de la planète et l'augmentation continue de la demande pour toutes sortes d'innovations technologiques.
Merci de votre attention, restez curieux et bonne semaine de travail, les gars! :)
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