Banyak gamer di seluruh dunia yang telah memulai era Xbox 360 sangat akrab dengan situasi ketika konsol mereka berubah menjadi panci untuk menggoreng telur. Situasi menyedihkan yang sama ditemukan tidak hanya dengan konsol game, tetapi juga dengan ponsel, laptop, tablet, dan banyak lagi. Pada prinsipnya, hampir semua elektronik dapat mengalami heat stroke, yang tidak hanya menyebabkan kerusakan dan perasaan kesal pemiliknya, tetapi juga pada "ledakan buruk" baterai dan cedera serius. Hari ini kita akan bertemu dengan Anda sebuah studi di mana para ilmuwan dari Universitas Stanford, seperti Nick Fury dari komik, menciptakan perisai yang melindungi bagian-bagian elektronik yang peka terhadap panas dari panas berlebih dan, sebagai akibatnya, mencegah mereka dari kerusakan. Bagaimana para ilmuwan berhasil membuat perisai termal, apa komponen utamanya dan seberapa efektif itu? Ini dan bukan saja kita belajar dari laporan kelompok riset. Ayo pergi.
Dasar studi
Masalah overheating telah dikenal sejak lama, dan para ilmuwan menyelesaikannya dengan berbagai cara. Salah satu yang paling populer adalah pengenalan kaca, plastik, dan bahkan lapisan udara, yang berfungsi sebagai semacam isolator radiasi termal. Dalam kenyataan modern, metode ini dapat ditingkatkan dengan mengurangi ketebalan lapisan pelindung menjadi beberapa atom, tanpa kehilangan sifat insulasi termal. Itulah yang dilakukan para peneliti.
Ini, tentu saja, tentang bahan nano. Namun, penggunaannya dalam isolasi termal sebelumnya dipersulit oleh fakta bahwa panjang gelombang pendingin (
fonon * ) jauh lebih pendek daripada elektron atau foton.
Phonon * adalah partikel semu yang merepresentasikan kuantum gerak vibrasi atom kristal.
Selain itu, karena sifat fonon boson, tidak mungkin untuk mengontrolnya dengan menggunakan tegangan (seperti yang dilakukan dengan pembawa muatan), yang umumnya menyulitkan kontrol perpindahan panas dalam padatan.
Sebelumnya, sifat termal padatan dikendalikan, seperti yang diingatkan oleh para peneliti, dengan menggunakan film nanolaminate dan superlattice karena gangguan struktur dan kepadatan tinggi antarmuka, atau dengan cara silikon dan kawat nano germanium karena hamburan fonon yang kuat.
Para ilmuwan siap untuk menghubungkan sejumlah metode isolasi termal di atas dengan bahan dua dimensi, yang ketebalannya tidak melebihi beberapa atom, yang membuatnya mudah untuk mengontrolnya pada skala atom. Dalam studi mereka, mereka menggunakan rakitan
van der Waals (vdW) dari lapisan 2D tipis secara atom untuk mencapai resistansi termal yang sangat tinggi pada seluruh heterostrukturnya.
Gaya Van der Waals * - kekuatan interaksi antarmolekul / interatomik dengan energi 10-20 kJ / mol.
Teknik baru ini memungkinkan untuk memperoleh ketahanan termal dalam heterostruktur vdW dengan ketebalan 2 nm, sebanding dengan yang ada di lapisan SiO
2 (silikon dioksida) dengan ketebalan 300 nm.
Selain itu, penggunaan heterostruktur vdW memungkinkan untuk mendapatkan kontrol atas sifat-sifat termal pada tingkat atom dengan melapiskan monolayer dua dimensi heterogen dengan kepadatan massa atom yang berbeda dan mode getaran.
Jadi, kita tidak akan menarik kucing dengan kumis dan melanjutkan untuk mempertimbangkan hasil penelitian yang luar biasa ini.
Hasil penelitian
Pertama-tama, kita akan berkenalan dengan karakteristik mikrostruktur dan optik dari heterostruktur vdW yang digunakan dalam penelitian ini.
Gambar No. 1Gambar
1a menunjukkan diagram penampang heterostruktur empat-lapisan yang terdiri dari (atas ke bawah): graphene (Gr), MoSe
2 , MoS
2 , WSe2
2 dan substrat SiO
2 / Si. Untuk pemindaian simultan semua lapisan,
laser Raman * dengan panjang gelombang 532 nm digunakan.
Laser Raman * adalah jenis laser di mana hamburan Raman adalah mekanisme utama untuk memperkuat cahaya.
Hamburan raman , pada gilirannya, adalah hamburan radiasi optik oleh molekul suatu zat, yang disertai dengan perubahan signifikan dalam frekuensi radiasi.
Beberapa metode yang digunakan untuk mengkonfirmasi homogenitas struktur mikro, termal, dan listrik dari heterostruktur: pemindaian mikroskop elektron transmisi (STEM), spektroskopi photoluminescent (PL), mikroskop Kelvin probe (KPM), pemindaian mikroskop termal (SThM), dan spektroskopi Raman dan termometri .
Gambar
1b menunjukkan spektrum Raman dari heterostruktur Gr / MoSe
2 / MoS
2 / WSe2
2 pada substrat SiO
2 / Si di lokasi yang ditunjukkan oleh titik merah. Grafik ini menunjukkan tanda tangan dari masing-masing monolayer dalam larik lapisan, serta tanda tangan dari substrat Si.
1c -
1f menunjukkan gambar STEM bidang gelap dari heterostruktur Gr / MoSe
2 / MoS
2 / WSe2
2 (
1c ) dan heterostruktur Gr / MoS
2 / WSe2
2 (
1d -
1f ) dengan orientasi kisi yang berbeda. Gambar STEM menunjukkan celah vdW yang tertutup secara atomis tanpa kontaminasi apa pun, yang memungkinkan Anda untuk sepenuhnya melihat ketebalan total heterostruktur ini. Kehadiran komunikasi antar pemain juga dikonfirmasi dalam area besar pemindaian dengan menggunakan spektroskopi photoluminescent (PL) (
1g ). Sinyal photoluminescent dari lapisan individu di dalam heterostruktur ditekan secara signifikan dibandingkan dengan sinyal dari satu warna tunggal yang terisolasi. Ini dijelaskan oleh proses transfer biaya antar pemain karena interaksi antar pemain dekat, yang menjadi lebih kuat setelah anil.
Gambar No. 2Untuk mengukur fluks panas yang tegak lurus terhadap bidang atom heterostruktur, susunan lapisan disusun dalam bentuk perangkat listrik empat-probe. Lapisan atas graphene bersentuhan dengan elektroda paladium (Pd) dan digunakan sebagai pemanas untuk mengukur termometri Raman.
Metode pemanas listrik ini memberikan kuantifikasi daya input yang akurat. Metode pemanasan lain yang mungkin, optik, akan lebih sulit untuk diterapkan karena ketidaktahuan koefisien penyerapan lapisan individu.
2a menunjukkan skema pengukuran empat-probe, dan
2b menunjukkan pandangan atas dari struktur uji. Grafik
2c menunjukkan karakteristik perpindahan panas terukur untuk tiga perangkat, satu di antaranya hanya mengandung graphene, dan dua susunan lapisan Gr / WSe2
2 dan Gr / MoSe
2 / WSe2
2 . Semua varian menunjukkan perilaku ambipolar graphene, yang dikaitkan dengan tidak adanya zona terlarang.
Juga ditemukan bahwa konduktivitas dan pemanasan saat ini terjadi pada lapisan atas (dalam graphene), karena konduktivitas listriknya beberapa kali lipat lebih tinggi daripada MoS
2 dan WSe2
2 .
Untuk menunjukkan homogenitas perangkat yang diuji, pengukuran dilakukan menggunakan probe Kelvin microscopy (KPM) dan scanning thermal microscopy (SThM). Grafik
2d menunjukkan pengukuran KPM yang menunjukkan distribusi potensial linier. Hasil analisis SThM ditunjukkan pada
2e . Di sini kita melihat peta saluran Gr / MoS
2 / WSe2
2 yang dipanaskan dengan listrik, serta adanya keseragaman dalam pemanasan permukaan.
Teknik pemindaian yang dijelaskan di atas, khususnya SThM, mengkonfirmasi homogenitas struktur yang diteliti, yaitu homogenitasnya, dalam hal suhu. Langkah selanjutnya adalah penentuan kuantitatif suhu masing-masing lapisan penyusun, dilakukan dengan menggunakan spektroskopi Raman (mis., Spektroskopi Raman).
Ketiga perangkat diuji, area masing-masing ~ 40 μm
2 . Dalam hal ini, daya pemanas diubah sebesar 9 mW, dan daya laser yang diserap lebih rendah dari ~ 5 μW pada area laser spot ~ 0,5 μm
2 .
Gambar No. 3Grafik
3a menunjukkan peningkatan suhu (∆T) dari setiap lapisan dan substrat seiring meningkatnya daya pemanas
pada heterostruktur Gr / MoS
2 / WSe2
2 .
Kemiringan fungsi linier untuk setiap bahan (lapisan) menunjukkan ketahanan termal (R
th = ∆T / P) antara lapisan tunggal dan heat sink. Mengingat distribusi pemanasan yang merata pada area, ketahanan termal cukup sederhana untuk dianalisis dari lapisan bawah ke atas, di mana nilainya dinormalisasi oleh area saluran (WL).
L dan W adalah panjang dan lebar saluran, yang secara signifikan melebihi ketebalan substrat SiO2 dan panjang lateral dari pemanasan termal, yaitu ~ 0,1 μm.
Oleh karena itu, kita dapat memperoleh rumus untuk ketahanan termal substrat Si, yang akan terlihat seperti ini:
R
th, Si ≈ (WL)
1/2 / (2
k Si )
Dalam situasi ini,
k Si ≈ 90 W m
- 1 K
- 1 , yang merupakan konduktivitas termal yang diharapkan dari substrat yang sangat diolah.
Perbedaan antara R
th, WS 2 dan R
th, Si adalah jumlah dari tahanan termal SiO
2 dengan ketebalan 100 nm dan batas resistansi termal (TBR) dari antarmuka WSe
2 / SiO
2 .
Dengan menggabungkan semua aspek di atas, kita dapat menetapkan bahwa Rth, MoS
2 - Rth, WSe
2 = TBRMoS
2 / WSe
2 , dan Rth, Gr-Rth, MoS
2 = TBRGr / MoS
2 . Oleh karena itu, TBR untuk masing-masing antarmuka WSe
2 / SiO
2 , MoS
2 / WSe
2, dan Gr / MoS
2 dapat diekstraksi dari grafik
3a .
Kemudian, para ilmuwan membandingkan resistansi termal total semua heterostruktur yang diukur dengan spektroskopi Raman dan mikroskopi termal (
3b ).
Struktur heterostruktur SiO
2 dua lapis dan tiga lapis menunjukkan ketahanan termal efektif dalam kisaran 220 hingga 280 m
2 · K / GW pada suhu kamar, yang setara dengan ketahanan termal SiO
2 dengan ketebalan 290 hingga 360 nm. Terlepas dari kenyataan bahwa ketebalan heterostruktur yang diteliti tidak melebihi 2 nm (
1d -
1f ), konduktivitas termal mereka adalah 0,007-0,009 W m
- 1 K
- 1 pada suhu kamar.
Gambar No. 4Gambar 4 menunjukkan hasil pengukuran keempat struktur dan batas konduktivitas termal (TBC) dari antarmuka mereka, yang memungkinkan kita untuk memperkirakan tingkat pengaruh setiap lapisan pada hambatan termal yang diukur sebelumnya (TBC = 1 / TBR).
Para peneliti mencatat bahwa ini adalah pengukuran TBC pertama untuk antarmuka yang tertutup secara atomis antara masing-masing lapisan tunggal (2D / 2D), khususnya antara lapisan tunggal WSe
2 dan SiO
2 .
TBC dari antarmuka monolayer WSe
2 / SiO
2 lebih rendah daripada antarmuka multilayer WSe
2 / SiO
2 , yang tidak mengejutkan, karena monolayer memiliki lebih sedikit mode fonon lentur yang tersedia untuk transmisi. Sederhananya, antarmuka TBC antara lapisan 2D lebih rendah dari antarmuka TBC antara lapisan 2D dan substrat 3D SiO
2 (
4b ).
Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat
laporan para ilmuwan dan
bahan tambahan untuk itu.
Epilog
Studi ini, menurut para ilmuwan itu sendiri, memberi kita pengetahuan yang dapat diterapkan dalam implementasi antarmuka termal atom. Karya ini menunjukkan kemungkinan menciptakan metamaterial isolasi panas yang sifatnya tidak ditemukan di alam. Selain itu, penelitian ini juga mengkonfirmasi kemungkinan melakukan pengukuran suhu yang akurat dari struktur tersebut, terlepas dari skala atom lapisan tersebut.
Struktur heterostr yang dijelaskan di atas dapat menjadi dasar “pelindung” termal dan ultralight, yang mampu, misalnya, untuk menghilangkan panas dari titik panas dalam elektronik. Selain itu, teknologi ini dapat digunakan dalam generator termoelektrik atau perangkat yang dikendalikan secara termal, sehingga meningkatkan produktivitasnya.
Studi ini sekali lagi menegaskan bahwa sains modern secara serius terbawa oleh prinsip "efisiensi dalam bidal", yang tidak dapat disebut sebagai usaha bodoh, mengingat sumber daya planet ini yang terbatas dan peningkatan permintaan yang terus-menerus untuk semua jenis inovasi teknologi.
Terima kasih atas perhatian Anda, tetap penasaran, dan selamat bekerja, kawan! :)
Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda,
diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki
2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang
Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?