दुनिया भर के कई गेमर्स जिन्होंने Xbox 360 युग में शुरुआत की है, वे उस स्थिति से बहुत परिचित हैं जब उनका कंसोल एक पैन में बदल गया था, जिस पर अंडे भूनें। एक समान दुखद स्थिति न केवल गेम कंसोल के साथ, बल्कि फोन, लैपटॉप, टैबलेट और बहुत कुछ के साथ पाई जाती है। सिद्धांत रूप में, लगभग कोई भी इलेक्ट्रॉनिक्स हीट स्ट्रोक का अनुभव कर सकता है, जो न केवल इसके टूटने और इसके मालिक की भावनाओं को परेशान कर सकता है, बल्कि बैटरी की "खराब उछाल" और गंभीर चोटों को भी जन्म दे सकता है। आज हम आपके साथ एक अध्ययन में मिलेंगे जिसमें स्टैनफोर्ड यूनिवर्सिटी के वैज्ञानिकों ने कॉमिक्स से निक फ्यूरी की तरह एक ढाल बनाया, जो इलेक्ट्रॉनिक्स के हीट-सेंसिटिव हिस्सों को ओवरहीटिंग से बचाता है और परिणामस्वरूप, उन्हें टूटने से बचाता है। वैज्ञानिकों ने थर्मल ढाल बनाने का प्रबंधन कैसे किया, इसके मुख्य घटक क्या हैं और यह कितना प्रभावी है? यह और न केवल हम अनुसंधान समूह की रिपोर्ट से सीखते हैं। चलो चलते हैं।
अध्ययन का आधार
ओवरहीटिंग की समस्या बहुत लंबे समय से जानी जाती है, और वैज्ञानिक इसे कई तरह से हल करते हैं। सबसे लोकप्रिय में से एक ग्लास, प्लास्टिक और यहां तक कि हवा की परतों की शुरूआत है, जो थर्मल विकिरण के एक प्रकार के इन्सुलेटर के रूप में काम करते हैं। आधुनिक वास्तविकताओं में, अपने थर्मल इन्सुलेशन गुणों को खोने के बिना, सुरक्षात्मक परत की मोटाई को कई परमाणुओं तक कम करके सुधार किया जा सकता है। यही शोधकर्ताओं ने किया।
यह निश्चित रूप से, नैनोमैटेरियल्स के बारे में है। हालांकि, थर्मल इन्सुलेशन में उनका उपयोग पहले इस तथ्य से जटिल था कि कूलेंट (
फोनॉन * ) की तरंग दैर्ध्य इलेक्ट्रॉनों या फोटॉनों की तुलना में बहुत कम है।
फोनन * एक क्वापिपर्टिकल है जो क्रिस्टल परमाणुओं के कंपन गति की मात्रा का प्रतिनिधित्व करता है।
इसके अलावा, फ़ोनों की बोसोनिक प्रकृति के कारण, वोल्टेज के माध्यम से उन्हें नियंत्रित करना असंभव है (जैसा कि चार्ज वाहक के साथ किया जाता है), जो आमतौर पर ठोस पदार्थों में गर्मी हस्तांतरण के नियंत्रण को जटिल करता है।
पहले, ठोस पदार्थों के ऊष्मीय गुणों को नियंत्रित किया गया था, क्योंकि शोधकर्ताओं ने हमें याद दिलाया, संरचनात्मक विघटन और इंटरफेस के उच्च घनत्व के कारण, या मजबूत फोनन बिखरने के कारण सिलिकॉन और जर्मेनियम नैनोवायरस के माध्यम से नैनोलिनेट फिल्मों और सुपरलिट्स के माध्यम से।
वैज्ञानिक दो-आयामी सामग्रियों के साथ थर्मल इन्सुलेशन के उपरोक्त तरीकों में से कई की विशेषता के लिए तैयार हैं, जिनकी मोटाई कई परमाणुओं से अधिक नहीं है, जिससे उन्हें परमाणु पैमाने पर नियंत्रित करना आसान हो जाता है। अपने अध्ययन में, उन्होंने अपने पूरे हेटरोस्ट्रक्चर पर बहुत अधिक ऊष्मीय प्रतिरोध प्राप्त करने के लिए परमाणु पतली 2 डी परतों की
वैन डेर वाल्स (vdW) असेंबली का इस्तेमाल किया।
वैन डेर वाल्स बलों * - 10-20 kJ / मोल की ऊर्जा के साथ इंटरमॉलिक्युलर / इंटरटॉमिक इंटरैक्शन की ताकत।
नई तकनीक ने 2 एनएम की मोटाई के साथ vdW हेट्रोस्ट्रक्चर में थर्मल प्रतिरोध प्राप्त करना संभव बना दिया, जो कि SiO
2 परत (सिलिकॉन डाइऑक्साइड) में 300 एनएम की मोटाई के साथ तुलनीय है।
इसके अलावा, vdW हेट्रोस्ट्रक्चर के उपयोग ने विभिन्न परमाणु द्रव्यमान घनत्व और थरथानेवाला मोड के साथ विषम दो-आयामी मोनोलर लेयर द्वारा परमाणु स्तर पर थर्मल गुणों पर नियंत्रण हासिल करना संभव बना दिया।
तो, हम मूंछों द्वारा बिल्ली को नहीं खींचेंगे और इस अद्भुत अध्ययन के परिणामों पर विचार करने के लिए आगे बढ़ेंगे।
अनुसंधान के परिणाम
सबसे पहले, हम इस अध्ययन में इस्तेमाल किए गए vdW heterostructures के microstructural और ऑप्टिकल विशेषताओं से परिचित होंगे।
चित्र संख्या 1चित्रा
1 ए एक चार-परत हेटरोस्ट्रक्चर के क्रॉस-अनुभागीय आरेख को दर्शाता है जिसमें (ऊपर से नीचे): ग्राफीन (जीआर), MoSe
2 , MoS
2 , WSe2
2 और एक SiO
2 / Siateate शामिल हैं। सभी परतों की एक साथ स्कैनिंग के लिए, 532 एनएम के तरंग दैर्ध्य के साथ एक
रमन लेजर * का उपयोग किया जाता है।
रमन लेज़र * एक प्रकार का लेज़र है जिसमें रमन बिखरना प्रकाश को बढ़ाने का मुख्य तंत्र है।
रमन प्रकीर्णन , बदले में, किसी पदार्थ के अणुओं द्वारा ऑप्टिकल विकिरण का अकुशल प्रकीर्णन है, जो विकिरण आवृत्ति में एक महत्वपूर्ण परिवर्तन के साथ है।
हेट्रोस्ट्रक्चर के सूक्ष्म, थर्मल, और विद्युत समरूपता की पुष्टि करने के लिए कई तरीकों का उपयोग किया गया था: स्कैनिंग ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसटीईएम), फोटोल्यूमिनेसेंट स्पेक्ट्रोस्कोपी (पीएल), केल्विन माइक्रोस्कोपी (केपीएम), थर्मल माइक्रोस्कोपी (एसटीएचएम), और रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी और थर्मोमेट्री की जांच। ।
चित्र
1 बी हमें लाल डॉट द्वारा इंगित स्थान पर एक SiO
2 / Si सब्सट्रेट पर Gr / MoSe
2 / MoS
2 / WSe2
2 हेट्रोस्ट्रक्चर के रमन स्पेक्ट्रम को दिखाता है। यह ग्राफ परत सरणी में प्रत्येक मोनोलर के हस्ताक्षर के साथ-साथ सी सब्सट्रेट के हस्ताक्षर को दर्शाता है।
1c -
1f जीआर / MoSe
2 / MoS
2 / WSe2
2 हेटरोस्ट्रक्चर (
1c ) और जीआर / MoS
2 / WSe2
2 (
1d -
1f ) अलग-अलग जाली झुकाव के साथ डार्क फील्ड STEM छवियों को दिखाता है। STEM छवियां बिना किसी संदूषण के परमाणु रूप से नज़दीकी vdW अंतराल दिखाती हैं, जो आपको इन हेट्रोस्ट्रक्टर्स की कुल मोटाई को पूरी तरह से देखने की अनुमति देता है। फोटोल्यूमिनसेंट (पीएल) स्पेक्ट्रोस्कोपी (
1 जी ) के माध्यम से स्कैनिंग के बड़े क्षेत्रों में इंटरलेयर संचार की उपस्थिति की भी पुष्टि की गई थी। अलग-थलग मोनोलर के संकेत की तुलना में हेटरोस्ट्रक्चर के अंदर व्यक्तिगत परतों के फोटोलुमिनसेंट सिग्नल को काफी दबा दिया जाता है। यह इंटरलेयर चार्ज ट्रांसफर की प्रक्रिया को क्लोज इंटरलेयर इंटरैक्शन के कारण समझाता है, जो एनेलिंग के बाद और भी मजबूत हो जाता है।
चित्र संख्या 2ऊष्माक्षेपी के परमाणु विमानों के लिए ऊष्मा प्रवाह को मापने के लिए, परतों की सरणी को चार-जांच विद्युत उपकरणों के रूप में संरचित किया गया था। ग्राफीन की शीर्ष परत पैलेडियम (पीडी) इलेक्ट्रोड के संपर्क में है और रमन थर्मामीटर को मापने के लिए हीटर के रूप में उपयोग किया जाता है।
यह विद्युत ताप विधि इनपुट शक्ति का सटीक मात्रा निर्धारण प्रदान करती है। एक और संभव हीटिंग विधि, ऑप्टिकल, व्यक्तिगत परतों के अवशोषण गुणांक की अज्ञानता के कारण लागू करना अधिक कठिन होगा।
2 ए चार-जांच माप योजना दिखाता है, और
2 बी परीक्षण संरचना का एक शीर्ष दृश्य दिखाता है। ग्राफ
2c तीन उपकरणों के लिए मापा गर्मी हस्तांतरण विशेषताओं को दर्शाता है, जिनमें से एक में केवल ग्राफीन होता है, और जीआर / डब्ल्यूएसई
2 2 और जीआर / एमओएसई
2 / डब्ल्यूएसई
2 2 परतों के एरे। सभी प्रकार ग्राफीन के उभयलिंगी व्यवहार को प्रदर्शित करते हैं, जो कि निषिद्ध क्षेत्र की अनुपस्थिति से जुड़ा हुआ है।
यह भी पाया गया कि वर्तमान चालकता और ताप ऊपरी परत में (ग्राफीन में) होते हैं, क्योंकि इसकी विद्युत चालकता MoS
2 और WSe2
2 की तुलना में अधिक परिमाण के कई आदेश हैं।
परीक्षण किए गए उपकरणों की समरूपता को प्रदर्शित करने के लिए, जांच केल्विन माइक्रोस्कोपी (केपीएम) और स्कैनिंग थर्मल माइक्रोस्कोपी (एसटीएचएम) का उपयोग करके माप किए गए थे। ग्राफ
2d एक रैखिक संभावित वितरण का खुलासा करते हुए केपीएम माप दिखाता है। एसटीएचएम विश्लेषण के परिणाम
2e में दिखाए गए हैं। यहां हम विद्युत रूप से गर्म किए गए Gr / MoS
2 / WSe2
2 चैनलों के साथ-साथ सतह ताप में एकरूपता की उपस्थिति का एक नक्शा देखते हैं।
ऊपर वर्णित स्कैनिंग तकनीक, विशेष रूप से एसटीएम में, अध्ययन के तहत संरचना की समरूपता की पुष्टि की, अर्थात्, तापमान के संदर्भ में इसकी समरूपता। अगला चरण रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी (यानी, रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी) का उपयोग करके किए गए प्रत्येक घटक परतों के तापमान का मात्रात्मक निर्धारण था।
सभी तीन उपकरणों का परीक्षण किया गया था, जिनमें से प्रत्येक का क्षेत्र ~ 40 माइक्रोन
2 था । इस मामले में, हीटर की शक्ति को 9 mW से बदल दिया गया था, और अवशोषित लेजर की शक्ति ~ 0.5 μm
2 के लेजर स्पॉट क्षेत्र में ~ 5 μW से कम थी।
चित्र संख्या 3ग्राफ
3 ए प्रत्येक परत के तापमान (aT) में वृद्धि और सब्सट्रेट दिखाता है क्योंकि जीआर / एमओएस
2 / डब्लूएस
2 2 हेट्रोस्ट्रक्चर में हीटर की शक्ति बढ़ जाती है।
प्रत्येक सामग्री (परत) के लिए रैखिक फ़ंक्शन के ढलान एक एकल परत और एक गर्मी सिंक के बीच थर्मल प्रतिरोध (आर
वें = ofT / P) को इंगित करते हैं। क्षेत्र पर हीटिंग के समान वितरण को देखते हुए, निचली से ऊपरी परत तक विश्लेषण करने के लिए थर्मल प्रतिरोध काफी सरल है, जिसके दौरान चैनल क्षेत्र (डब्ल्यूएल) द्वारा उनके मूल्यों को सामान्य किया जाता है।
एल और डब्ल्यू चैनल की लंबाई और चौड़ाई है, जो काफी SiO
2 सब्सट्रेट की मोटाई और थर्मल हीटिंग की पार्श्व लंबाई से अधिक है, जो ~ 0.1 माइक्रोन है।
इसलिए, हम सी सब्सट्रेट के थर्मल प्रतिरोध के लिए सूत्र प्राप्त कर सकते हैं, जो इस तरह दिखाई देगा:
R
th, Si th (WL)
1/2 / (2
k Si )
इस स्थिति में,
k Si W 90 W m
- 1 K
- 1 , जो कि इस तरह के अत्यधिक डोपिंग सब्सट्रेट की अपेक्षित तापीय चालकता है।
R
th, WSe 2 और R
th के बीच का अंतर
, Si Si 2 के थर्मल प्रतिरोध का योग है, जिसकी मोटाई 100 एनएम और WSE
2 / SiO
2 इंटरफ़ेस की सीमा थर्मल प्रतिरोध (TBR) है।
उपरोक्त सभी पहलुओं को एक साथ रखते हुए, हम उस Rth, MoS
2 - Rth, WSe
2 = TBRMoS
2 / WSe
2 , और Rth, Gr - Rth, MoS
2 = TBRGr / Mo2
2 को स्थापित कर सकते हैं। इसलिए, प्रत्येक को WSe
2 / SiO
2 , MoS
2 / WSe
2 और Gr / MoS
2 इंटरफेस के लिए TBR को ग्राफ
3a से निकाला जा सकता है।
फिर, वैज्ञानिकों ने रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी और थर्मल माइक्रोस्कोपी (
3 बी ) द्वारा मापा जाने वाले सभी हेटरोस्ट्रक्चर के कुल थर्मल प्रतिरोध की तुलना की।
दो-परत और तीन-परत SiO
2 हेटरोस्ट्रक्चर ने कमरे के तापमान पर 220 से 280 मीटर
2 · K / GW में प्रभावी थर्मल प्रतिरोध का प्रदर्शन किया, जो 290 से 360 एनएम की मोटाई के साथ SiO
2 के थर्मल प्रतिरोध के बराबर है। इस तथ्य के बावजूद कि अध्ययन किए गए हेट्रोस्ट्रक्चर की मोटाई 2 एनएम (
1d -
1f ) से अधिक नहीं है, उनकी तापीय चालकता 0.007–0.009 W m
- 1 K
- 1 कमरे के तापमान पर है।
चित्र संख्या 4चित्र 4 सभी चार संरचनाओं के माप और उनके इंटरफेस की सीमा तापीय चालकता (TBC) के परिणामों को दर्शाता है, जो हमें पहले से मापा थर्मल प्रतिरोध (TBC = 1 / TBR) पर प्रत्येक परत के प्रभाव की डिग्री का अनुमान लगाने की अनुमति देता है।
शोधकर्ताओं ने ध्यान दिया कि यह व्यक्तिगत मोनोलैयर्स (2 डी / 2 डी) के बीच परमाणु रूप से घनिष्ठ इंटरफेस के लिए पहली बार टीबीसी माप है, विशेष रूप से मोनोलयर्स WSe
2 और SiO
2 के बीच ।
WSe
2 / SiO
2 monolayer इंटरफ़ेस का TBC WSe
2 / SiO
2 बहुपरत इंटरफ़ेस की तुलना में कम है, जो आश्चर्यजनक नहीं है, क्योंकि मोनोलेयर में ट्रांसमिशन के लिए बहुत कम झुकने वाले फ़ोनन मोड उपलब्ध हैं। सीधे शब्दों में कहें, 2D परतों के बीच TBC इंटरफ़ेस, 2D परत और 3D SiO
2 सब्सट्रेट (
4b ) के बीच TBC इंटरफ़ेस से कम है।
अध्ययन की बारीकियों के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं सुझाव देता हूं कि आप
वैज्ञानिकों की
रिपोर्ट और
इसके लिए
अतिरिक्त सामग्रियों पर ध्यान दें।
उपसंहार
यह अध्ययन, स्वयं वैज्ञानिकों के अनुसार, हमें ज्ञान देता है जिसे परमाणु थर्मल इंटरफेस के कार्यान्वयन में लागू किया जा सकता है। इस कार्य ने गर्मी-इन्सुलेट मेटामेट्री बनाने की संभावना को दिखाया, जिनके गुण प्रकृति में नहीं पाए जाते हैं। इसके अलावा, अध्ययन ने परतों के परमाणु पैमाने के बावजूद, ऐसी संरचनाओं के सटीक तापमान माप करने की संभावना की भी पुष्टि की।
ऊपर वर्णित हेट्रोस्ट्रॉक्टर्स अल्ट्रालाइट और कॉम्पैक्ट थर्मल "शील्ड्स" का आधार बन सकते हैं, उदाहरण के लिए, सक्षम, इलेक्ट्रॉनिक्स में गर्म स्थानों से गर्मी को दूर करने के लिए। इसके अलावा, इस तकनीक का उपयोग थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर या थर्मामीटर नियंत्रित उपकरणों में किया जा सकता है, जिससे उनकी उत्पादकता बढ़ जाती है।
यह अध्ययन एक बार फिर से पुष्टि करता है कि आधुनिक विज्ञान "दक्षता में एक थिम्बल" के सिद्धांत को गंभीरता से ले रहा है, जिसे मूर्खतापूर्ण उपक्रम नहीं कहा जा सकता है, इसे ग्रह के सीमित संसाधनों और सभी प्रकार के तकनीकी नवाचारों की मांग में निरंतर वृद्धि को देखते हुए।
आपका ध्यान के लिए धन्यवाद, जिज्ञासु बने रहें और एक अच्छा काम करने का सप्ताह है, दोस्तों! :)
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