एयू / नी / एमजीओ: नैनोस्केल गर्मी हस्तांतरण

हमारे समय के वैज्ञानिक, सौ या तीन सौ साल पहले की तरह, लगातार कुछ नया खोज रहे हैं। हर बार किसी पदार्थ, घटना या प्रक्रिया की एक नई संपत्ति की खोज की जाती है, महान दिमाग इसके लिए व्यावहारिक अनुप्रयोग चाहते हैं। आज का शोध कोई अपवाद नहीं है। हर दिन, दुनिया में डेटा की मात्रा लगातार बढ़ रही है। क्योंकि सूचनाओं को संग्रहीत करने के नए तरीकों का विकास अब लोकप्रियता के मद्देनजर है, जैसे क्वांटम कंप्यूटर, सूक्ष्मजीवों पर आधारित उपकरण आदि। भविष्य के संभावित वाहक का आधार विभिन्न प्रकार की चीजें हो सकती हैं, जो कि आसमान से लेकर फोटोन तक हैं। आज हम एक भौतिक प्रक्रिया के अध्ययन पर विचार करेंगे जो हमारे लिए गर्मी हस्तांतरण के रूप में परिचित है, लेकिन एक नए कोण से। वैज्ञानिकों का कहना है कि नैनोमीटर बहुपरत धातु संरचनाओं में अल्ट्राफास्ट हीट ट्रांसफर एक नई तकनीक का आधार बन सकता है। यह प्रक्रिया क्यों थी जिससे उन्हें इतनी दिलचस्पी हुई, और क्या उनके जोर से बयान को वास्तव में भविष्यद्वाणी माना जा सकता है? वैज्ञानिकों की रिपोर्ट, जिसमें हम अब इसमें तल्लीन हैं, हमें इसे समझने में मदद करेंगे। चलो चलते हैं।

अध्ययन का आधार

पतली धातु की फिल्मों का अल्ट्राफास्ट हीटिंग और कूलिंग फोटॉन और इलेक्ट्रॉनों की बातचीत का अध्ययन करने के बुनियादी पहलू हैं, साथ ही साथ नैनोस्केल पैमाने पर गर्मी हस्तांतरण भी है।

बहु-पल्स स्विचिंग के विचार के मद्देनजर तापमान में रुचि और वैकल्पिक रूप से प्रेरित फेमटोसेकंड डिमॉनेटाइजेशन में इसके परिवर्तन पहले बहुत अच्छे थे। इसके अलावा, वैज्ञानिकों का ध्यान भी बहुपरत धातुओं में ऊर्जा प्रवाह से आकर्षित होता है, जो ऑप्टिकल उत्तेजना के कारण उत्पन्न होता है, क्योंकि वे तापमान परिवर्तन और पूरी तरह से ऑप्टिकल चुंबकीय स्विचिंग का उपयोग करके चुंबकीय रिकॉर्डिंग की प्रक्रिया में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।

हालांकि, इस तरह के छोटे नमूनों में इस तरह की घटनाओं का अध्ययन करने में हमेशा कठिनाइयाँ रही हैं। थर्मल ऊर्जा प्रवाह के सार को बेहतर ढंग से समझने के लिए, स्वयं आणविक जाली के तापमान तक पहुंच प्राप्त करना आवश्यक है, जो गर्मी क्षमता में सबसे महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।

वैज्ञानिकों ने महसूस किया कि नमूना-विशिष्ट ब्रैग कोणों पर अल्ट्राफास्ट एक्स-रे विवर्तन (UXRD) इस जटिल माप के लिए उत्कृष्ट था ।

ब्रैग विवर्तन * - कुछ निश्चित कोणों पर तरंगों के मजबूत बिखरने की घटना और एक निश्चित तरंग दैर्ध्य।

यह विधि बहुपरत संरचना के मापन की अनुमति देती है, भले ही परतें एक अपारदर्शी कोटिंग परत के नीचे स्थित हों या उनकी मोटाई सतह परत की मोटाई से कम हो। प्रत्येक परत के जाली परिवर्तनों को उच्च सटीकता के साथ मापना भी संभव है, जो धातु की परतों में जारी गर्मी की मात्रा को निर्धारित करना संभव बनाता है।

UXRD विधि का उपयोग पहले भी किया जा चुका है, लेकिन इसकी कुछ सीमाएँ हैं। सबसे पहले, अस्थायी समाधान लगभग 100 पीएस था, जिसने हमें थोड़े समय के लिए और 100 एनएम से कम की दूरी पर गर्मी हस्तांतरण का अध्ययन करने की अनुमति दी। इस अध्ययन में, लगभग 5 एनएम की दूरी पर माप प्राप्त करना संभव था।

नमूना

परीक्षण नमूने के रूप में, एक दो-परत Au / Ni नमूना का उपयोग किया गया था, जिसमें Au (सोना) की मोटाई 5.6 एनएम थी। और नी (निकेल) 12.4 एनएम है। MgO (मैग्नीशियम ऑक्साइड) एक सब्सट्रेट के रूप में कार्य करता है, क्योंकि इसका प्रतिबिंब गुणांक 1 है, अर्थात, MgO एक निरपेक्ष परावर्तक है।

एयू और नी परतों के अक्षांशों की गतिशीलता के अवलोकन से पता चला है कि केवल 2 पीएस के बाद, नी जाली का विस्तार होता है। इसी समय, एयू जाली ठंडा रहता है, भले ही अधिकांश प्रकाश इस परत के इलेक्ट्रॉनिक उपतंत्र द्वारा अवशोषित किया गया हो। एयू जाली ऑप्टिकल गति के बाद लगभग 80 पीएस के बाद अधिकतम तापमान तक पहुंचने के बजाय, धीरे-धीरे गर्म होती है।

दो-परत संरचना की छूट प्रक्रिया * 1 पिकोसैकोंड की तुलना में 2 धीमी परिमाण के आदेश है, जो पिछले गणना से विचलन करती है, और इलेक्ट्रॉन-फोनन संतुलन (τ ⁰ _Au = 1–5 ps) प्राप्त करने के लिए मानक समय से धीमी है।

आराम * एक प्रणाली में थर्मोडायनामिक संतुलन स्थापित करने की प्रक्रिया है।


थर्मोडायनामिक संतुलन प्राप्त करने के लिए मुख्य कारकों में से एक थर्मल संतुलन है। वीडियो में यह क्या दिखाया गया है (थोड़ा अनाड़ी, लेकिन सरल और सटीक)।

वैज्ञानिकों के लिए, एक समान परिणाम एक आश्चर्य था। वे इसे इस तथ्य से समझाते हैं कि इलेक्ट्रॉनों और एयू जाली के बीच असंतुलित स्थिति दो-परत संरचना में अधिक समय तक रहती है यदि एयू सिस्टम की एक भी परत का गठन करती है। दो-परत एयू - पीटी प्रणाली के अध्ययन ने इसे समझने में मदद की।

प्रयोग की तैयारी और परिणाम

इलेक्ट्रॉनिक प्रणाली एयू (ऊपरी परत) और नी को उत्तेजित करने के लिए, 400 और 800 एनएम के तरंग दैर्ध्य के साथ एक फेमटोसेकंड लेजर का उपयोग किया गया था।


छवि नंबर 1: नमूना परत संरचना

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि 400 एनएम के तरंग दैर्ध्य के साथ एक लेजर पल्स के साथ, एयू और नी परतों के अवशोषण की डिग्री लगभग समान होती है, जबकि 800 एनएम पर एयू परत व्यावहारिक रूप से प्रकाश को अवशोषित नहीं करती थी। इस तरह के एक मजबूत अंतर इस तथ्य के कारण है कि 400 एनएम पर एयू परत में काफी अधिक अपवर्तक सूचकांक है। एयू परत (मोटाई 5.6 एनएम) में 800 एनएम के तरंग दैर्ध्य पर, प्रतिबिंबित प्रकाश का हानिकारक हस्तक्षेप अवशोषण की डिग्री को कम करता है।


छवि संख्या 2: प्रयोगात्मक डेटा

छवि 2 ए नमूने के एक्स-रे विवर्तन पैटर्न को दर्शाता है, जो एयू और नी नैनोलयर्स के क्रिस्टलीय अभिविन्यास की पुष्टि करता है। रंगीन रेखाएं चयनित समय के उदाहरणों में ब्रैग चोटियों की संक्रमणकालीन पारियों को दर्शाती हैं: एयू के लिए 2 बी और नी के लिए 2 सी । सफेद धराशायी रेखा रैखिक से लघुगणक समय के लिए अक्ष अंतर है।


चित्र 3: परतों के थर्मोडायनामिक्स (नी, एयू) और सबस्ट्रेट्स (एमजीओ)

अब प्रयोगात्मक नमूने में गर्मी हस्तांतरण प्रक्रिया के बारे में अधिक विस्तार से विचार करना सार्थक है। जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, यह नी है जो शुरू में फैलता है, जबकि नी परत के विस्तार के कारण एयू परत अनुबंध करता है। 3 पीएस के बाद, एयू परत सक्रिय रूप से विस्तार करना शुरू कर देता है जब संपीड़न लहर सतह पर प्रतिबिंब के कारण विस्तार लहर में बदल जाती है। इसी समय, नी परत में विकृति तरंग के महत्वहीन कंपन भी देखे जाते हैं।

80 पीएस के एक समय के बाद, जो काफी लंबा समय है, एयू नी परत से गर्मी स्थानांतरित करके अपने अधिकतम विस्तार तक पहुंचता है, जब दो परतों का तापमान लगभग बराबर होता है। इसके अलावा, लगभग 100 पीएस पर, शीतलन प्रक्रिया शुरू होती है, जब गर्मी पहले से ही मैग्नीशियम ऑक्साइड सब्सट्रेट में स्थानांतरित हो जाती है।

यह निर्धारित करना भी संभव था कि प्रक्रिया की शुरुआत से 20 पीएस के बाद, नी से एयू को हस्तांतरित थर्मल ऊर्जा की मात्रा सब्सट्रेट को हस्तांतरित ऊर्जा की मात्रा के बराबर है।

पहले से ही 150 पीएस के बाद, दो-परत फिल्म की थर्मल ऊर्जा का आधा हिस्सा सब्सट्रेट में गुजरता है। हालांकि, वैज्ञानिक अभी भी यह नहीं समझ पा रहे हैं कि इलेक्ट्रॉनिक हीट ट्रांसफर के कारण अल्ट्राथिन एयू की परत ज्यादा तेजी से क्यों नहीं गर्म होती है, जो धातुओं के लिए काफी सामान्य है। और सब्सट्रेट में गर्मी का "रिसाव" संपूर्ण विवरण प्रदान नहीं करता है।

थर्मल विकिरण के प्रतिबिंब गुणांक के हाल के अध्ययनों के आधार पर, वैज्ञानिकों ने एक उन्नत दो-तापमान मॉडल बनाया है जो एयू की धीमी हीटिंग (छवि 3 ए ) की व्याख्या करने में मदद करेगा।


दो तापमान मॉडल

और अब क्रम में। इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम नी और एयू अपनी उच्च विद्युत चालकता के कारण बहुत जल्दी संतुलन में पहुंच जाते हैं। तेजी से संतुलन की पुष्टि तथ्य यह है कि पहले 2 पीएस में, एयू परत 400 एनएम और 800 एनएम पर समान रूप से संकुचित होती है। यदि यह अन्यथा थे, तो नी के विस्तार के कारण 400 एनएम के बीम के संपर्क में आने के बाद एयू में उच्च इलेक्ट्रॉन दबाव होगा।

संतुलन का एक और प्रमाण शोधकर्ताओं द्वारा निम्न कथन है: यदि इलेक्ट्रॉनों 1 ps से कम समय में संतुलन तक नहीं पहुंचते हैं और इससे एयू इलेक्ट्रॉनिक प्रणाली से गर्मी दूर होती है, तो एयू का ऐसा मजबूत संपीड़न नहीं देखा जाएगा, क्योंकि इलेक्ट्रॉन दबाव तुरंत एयू के विस्तार की ओर ले जाएगा ।

इलेक्ट्रॉन-फोटॉन इंटरैक्शन स्थिर के बारे में, यह नी परत में एयू की तुलना में बहुत बड़ा है। इलेक्ट्रॉनिक प्रणाली द्वारा प्राप्त लगभग सभी फोटॉन ऊर्जा नी जाली को भेजी जाती है। और इस तथ्य के बावजूद कि 400 एनएम पर अवशोषित ऊर्जा का लगभग 1/3 शुरू में एयू इलेक्ट्रॉनिक प्रणाली में पेश किया गया था।


छवि संख्या 4: प्रयोगात्मक डेटा वाले मॉडल की तुलना

ग्राफ 4 ए परतों के औसत हीटिंग से गणना की गई विरूपण (धराशायी रेखाएं) दिखाता है। ये गणना छवि 1 बी में दिखाए गए मॉडल के अनुरूप हैं। लेकिन ठोस रेखाएं सिमुलेशन हैं जो ऊपर वर्णित मॉडल पर आधारित हैं।

4 बी नमूना गहराई और समय के एक समारोह के रूप में तनाव का एक रंग प्रतिनिधित्व है, जो परतों में एक स्थानिक रूप से समान क्षणिक थर्मल तनाव की उपस्थिति को ध्यान में रखकर निर्मित किया गया है। यह ग्राफ ग्राफ 4a में धराशायी लाइनों से मेल खाता है।

वैज्ञानिकों ने अपने शोध के विवरण, साथ ही गणना के तरीकों का अधिक विस्तार से वर्णन किया है, इसलिए मैं दृढ़ता से अनुशंसा करता हूं कि आप इसके साथ खुद को परिचित करें।

उपसंहार

इस अध्ययन ने नैनोमीटर स्तर पर एक बहुपरत संरचना में गर्मी हस्तांतरण प्रक्रियाओं का अध्ययन करना संभव बना दिया, जो बाद में मिश्र धातुओं और धातु संयोजनों की जटिल प्रणालियों के कुछ और गुणों में विशेषता की संभावना को खोलता है।

एयू और नी इलेक्ट्रॉनों ने संतुलन की स्थिति में बहुत तेज़ी से प्रवेश करने की क्षमता दिखाई, जिसकी पुष्टि इस तथ्य से होती है कि, जब 400 एनएम और 800 एनएम का एक बीम सामने आता है, तो शुरू में हीटिंग नी में ही होती है, जो कि एयू परत द्वारा अवशोषित ऊर्जा की परवाह किए बिना।

400 एनएम पर, परतों के बीच थर्मल ऊर्जा को स्थानांतरित करने की प्रक्रिया (एक परत से दूसरी परत और इसके विपरीत) का पता चला। सबसे पहले, इलेक्ट्रॉनों को जल्दी से एयू से नी में ऊर्जा स्थानांतरित होती है, इसलिए गर्मी का हिस्सा नी फोटॉन से एयू फोटॉन में वापस स्थानांतरित किया जाता है। अंत में, गर्मी मैग्नीशियम ऑक्साइड सब्सट्रेट में नी से गुजरती है।

एयू में कमजोर इलेक्ट्रॉन-फोटोन युग्मन के कारण नी फोटॉनों और नी एयू इलेक्ट्रॉनों के माध्यम से एयू जाली से स्थानांतरित ऊर्जा दृढ़ता से दबा दी जाती है। यह अध्ययन निश्चित रूप से ओवरडिफ्यूजन इलेक्ट्रॉन विनिमय और ऑप्टिकल डिमैग्नेटाइजेशन / रीमैग्नेटाइजेशन के भविष्य के अध्ययन पर एक मजबूत प्रभाव डालेगा।

इस तरह के काम भविष्य की प्रौद्योगिकियों के कुछ पहलुओं को सुधारने में एक महत्वपूर्ण तत्व बन सकते हैं और बनेंगे। ये केवल पहले चरण हैं, लेकिन क्षमता स्पष्ट है। यदि आप इस तरह के अनुसंधान पर संदेह नहीं कर रहे हैं और यह समझना चाहते हैं कि दूसरे क्या महत्वहीन मानते हैं, तो प्रगति बहुत तेजी से और अधिक कुशलता से आगे बढ़ेगी।

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