Muitos jogadores de todo o mundo que embarcaram na era Xbox 360 estão muito familiarizados com a situação em que o console se transformou em uma panela para fritar ovos. Uma situação triste semelhante é encontrada não apenas nos consoles de jogos, mas também em telefones, laptops, tablets e muito mais. Em princípio, quase todos os aparelhos eletrônicos podem sofrer insolação, o que pode levar não apenas à quebra e ao desconforto do proprietário, mas também ao "mau boom" da bateria e a ferimentos graves. Hoje, encontraremos um estudo no qual cientistas da Universidade de Stanford, como Nick Fury, dos quadrinhos, criaram um escudo que protege as partes sensíveis ao calor dos eletrônicos contra superaquecimento e, como resultado, impede que eles se quebre. Como os cientistas conseguiram criar um escudo térmico, quais são seus principais componentes e qual a sua eficácia? Isso e não apenas aprendemos com o relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá
Base de estudo
O problema do superaquecimento é conhecido há muito tempo, e os cientistas o resolvem de várias maneiras. Uma das mais populares é a introdução de vidro, plástico e até camadas de ar, que servem como uma espécie de isoladores de radiação térmica. Nas realidades modernas, esse método pode ser aprimorado reduzindo a espessura da camada protetora para vários átomos, sem perder suas propriedades de isolamento térmico. Foi isso que os pesquisadores fizeram.
É, claro, sobre nanomateriais. No entanto, seu uso no isolamento térmico era anteriormente complicado pelo fato de o comprimento de onda dos refrigerantes (
fônons * ) ser muito menor que o dos elétrons ou fótons.
Phonon * é uma quase partícula que representa um quantum de movimento vibracional de átomos de cristal.
Além disso, devido à natureza bosônica dos fônons, é impossível controlá-los por meio de voltagem (como é feito com portadores de carga), o que geralmente complica o controle da transferência de calor em sólidos.
Anteriormente, as propriedades térmicas dos sólidos eram controladas, como lembram os pesquisadores, por meio de filmes e superláticos nanolaminados devido a desordens estruturais e alta densidade de interfaces, ou por nanofios de silício e germânio devido à forte dispersão de fônons.
Os cientistas estão prontos para atribuir a vários dos métodos acima mencionados de isolamento térmico com materiais bidimensionais, cuja espessura não excede vários átomos, o que facilita o controle em escala atômica. Em seu estudo, eles usaram a montagem
van der Waals (vdW) de camadas 2D atomicamente finas para obter uma resistência térmica muito alta em toda a sua heteroestrutura.
Forças de Van der Waals * - forças de interação intermolecular / interatômica com uma energia de 10-20 kJ / mol.
A nova técnica permitiu obter resistência térmica em uma heteroestrutura vdW com espessura de 2 nm, comparável à de uma camada de SiO
2 (dióxido de silício) com espessura de 300 nm.
Além disso, o uso de heteroestruturas vdW tornou possível obter controle sobre as propriedades térmicas no nível atômico, estratificando monocamadas bidimensionais heterogêneas com diferentes densidades de massa atômica e modos vibracionais.
Portanto, não puxaremos o gato pelo bigode e consideraremos os resultados deste incrível estudo.
Resultados da pesquisa
Primeiramente, conheceremos as características microestruturais e ópticas das heteroestruturas de vdW usadas neste estudo.
Imagem Nº 1A Figura
1a mostra um diagrama em corte transversal de uma heteroestrutura de quatro camadas consistindo em (de cima para baixo): grafeno (Gr), MoSe
2 , MoS2, MoS
2 , WSe2
2 e um substrato SiO
2 / Si. Para varredura simultânea de todas as camadas, é usado um
laser Raman * com comprimento de onda de 532 nm.
Raman laser * é um tipo de laser no qual a dispersão Raman é o principal mecanismo para amplificar a luz.
A dispersão Raman , por sua vez, é a dispersão inelástica da radiação óptica pelas moléculas de uma substância, que é acompanhada por uma mudança significativa na frequência da radiação.
Vários métodos foram utilizados para confirmar a homogeneidade microestrutural, térmica e elétrica das heteroestruturas: microscopia eletrônica de transmissão de varredura (STEM), espectroscopia fotoluminescente (PL), microscopia Kelvin de sonda (KPM), microscopia térmica de varredura (SThM) e espectroscopia e termometria Raman .
A imagem
1b mostra o espectro Raman da heteroestrutura Gr / MoSe
2 / MoS
2 / WSe2
2 em um substrato SiO
2 / Si no local indicado pelo ponto vermelho. Este gráfico mostra a assinatura de cada monocamada na matriz de camadas, bem como a assinatura do substrato Si.
1c -
1f mostra imagens STEM de campo escuro da heteroestrutura Gr / MoSe
2 / MoS
2 / WSe2
2 (
1c ) e da heteroestrutura Gr / MoS
2 / WSe2
2 (
1d -
1f ) com diferentes orientações de treliça. As imagens STEM mostram lacunas vdW atomicamente próximas, sem qualquer contaminação, o que permite ver completamente a espessura total dessas heteroestruturas. A presença de comunicação entre camadas também foi confirmada em grandes áreas de varredura por meio de espectroscopia fotoluminescente (PL) (
1g ). O sinal fotoluminescente de camadas individuais dentro da heteroestrutura é significativamente suprimido em comparação com o sinal de uma monocamada isolada. Isso é explicado pelo processo de transferência de carga entre camadas devido à interação estreita entre camadas, que se torna ainda mais forte após o recozimento.
Imagem No. 2Para medir o fluxo de calor perpendicular aos planos atômicos da heteroestrutura, o conjunto de camadas foi estruturado na forma de dispositivos elétricos de quatro sondas. A camada superior do grafeno está em contato com os eletrodos de paládio (Pd) e é usada como aquecedor para medir a termometria Raman.
Este método de aquecimento elétrico fornece quantificação precisa da energia de entrada. Outro método de aquecimento possível, óptico, seria mais difícil de implementar devido à ignorância dos coeficientes de absorção de camadas individuais.
2a mostra um esquema de medição de quatro sondas e
2b mostra uma vista superior da estrutura de teste. O gráfico
2c mostra as características de transferência de calor medidas para três dispositivos, um dos quais contém apenas grafeno e duas matrizes das camadas Gr / WSe2
2 e Gr / MoSe
2 / WSe2
2 . Todas as variantes demonstram o comportamento ambipolar do grafeno, que está associado à ausência de uma zona proibida.
Verificou-se também que a condutividade e o aquecimento da corrente ocorrem na camada superior (em grafeno), uma vez que sua condutividade elétrica é várias ordens de magnitude superior à do MoS
2 e WSe2
2 .
Para demonstrar a homogeneidade dos dispositivos testados, as medições foram feitas usando a microscopia Kelvin da sonda (KPM) e a microscopia térmica de varredura (SThM). O gráfico
2d mostra as medições de KPM, revelando uma distribuição de potencial linear. Os resultados da análise SThM são mostrados em
2e . Aqui vemos um mapa dos canais Gr / MoS
2 / WSe2
2 aquecidos eletricamente, bem como a presença de uniformidade no aquecimento da superfície.
As técnicas de varredura descritas acima, em particular SThM, confirmaram a homogeneidade da estrutura em estudo, ou seja, sua homogeneidade, em termos de temperatura. O passo seguinte foi a determinação quantitativa da temperatura de cada uma das camadas constituintes, realizada utilizando espectroscopia Raman (isto é, espectroscopia Raman).
Todos os três dispositivos foram testados, cuja área de cada um era de ~ 40 μm
2 . Nesse caso, a potência do aquecedor foi alterada em 9 mW e a potência do laser absorvido foi menor que ~ 5 μW em uma área de ponto de laser de ~ 0,5 μm
2 .
Imagem No. 3O gráfico
3a mostra um aumento na temperatura (∆T) de cada camada e substrato à medida que a potência do aquecedor aumenta na heteroestrutura Gr / MoS
2 / WSe2
2 .
As inclinações da função linear para cada material (camada) indicam resistência térmica (
Rth = ∆T / P) entre uma única camada e um dissipador de calor. Dada a distribuição uniforme do aquecimento sobre a área, a resistência térmica é bastante simples de analisar da camada inferior à superior, durante a qual seus valores são normalizados pela área do canal (WL).
L e W são o comprimento e a largura do canal, que excedem significativamente a espessura do substrato de SiO
2 e o comprimento lateral do aquecimento térmico, que é de ~ 0,1 μm.
Portanto, podemos derivar a fórmula para a resistência térmica do substrato Si, que terá a seguinte aparência:
Rth, Si ≈ (WL)
1/2 / (2
k Si )
Nesta situação,
k Si ≈ 90 W m
- 1 K
- 1 , que é a condutividade térmica esperada de um substrato altamente dopado.
A diferença entre
Rth, WSe 2 e
Rth , Si é a soma da resistência térmica do SiO
2 com uma espessura de 100 nm e a resistência térmica limite (TBR) da interface WSe
2 / SiO
2 .
Reunindo todos os aspectos acima, podemos estabelecer que Rth, MoS
2 - Rth, WSe
2 = TBRMoS
2 / WSe
2 , e Rth, Gr - Rth, MoS
2 = TBRGr / MoS
2 . Portanto, o TBR para cada uma das interfaces WSe
2 / SiO
2 , MoS
2 / WSe
2 e Gr / MoS
2 pode ser extraído do gráfico
3a .
Em seguida, os cientistas compararam a resistência térmica total de todas as heteroestruturas medidas por espectroscopia Raman e microscopia térmica (
3b ).
Heteroestruturas de SiO
2 de duas e três camadas demonstraram resistência térmica efetiva na faixa de 220 a 280 m
2 · K / GW à temperatura ambiente, o que é equivalente à resistência térmica do SiO
2 com uma espessura de 290 a 360 nm. Apesar de a espessura das heteroestruturas estudadas não exceder 2 nm (
1d -
1f ), sua condutividade térmica é de 0,007 a 0,009 W m
- 1 K
- 1 à temperatura ambiente.
Imagem No. 4A Figura 4 mostra os resultados das medições das quatro estruturas e da condutividade térmica limite (TBC) de suas interfaces, o que nos permite estimar o grau de influência de cada camada na resistência térmica medida anteriormente (TBC = 1 / TBR).
Os pesquisadores observam que esta é a primeira medição de TBC para interfaces atomicamente próximas entre monocamadas individuais (2D / 2D), em particular entre monocamadas WSe
2 e SiO
2 .
O TBC da interface de monocamada WSe
2 / SiO
2 é mais baixo que o da interface de multicamadas WSe
2 / SiO
2 , o que não é surpreendente, uma vez que a monocamada tem significativamente menos modos de fone de flexão disponíveis para transmissão. Simplificando, a interface TBC entre as camadas 2D é mais baixa que a interface TBC entre a camada 2D e o substrato 3D SiO
2 (
4b ).
Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o
relatório dos cientistas e
materiais adicionais .
Epílogo
Este estudo, de acordo com os próprios cientistas, fornece conhecimentos que podem ser aplicados na implementação de interfaces térmicas atômicas. Este trabalho mostrou a possibilidade de criar metamateriais com isolamento térmico cujas propriedades não são encontradas na natureza. Além disso, o estudo também confirmou a possibilidade de realizar medições precisas de temperatura dessas estruturas, apesar da escala atômica das camadas.
As heteroestruturas descritas acima podem tornar-se a base de "escudos" térmicos ultraleves e compactos, capazes, por exemplo, de remover calor de pontos quentes em eletrônicos. Além disso, esta tecnologia pode ser usada em geradores termoelétricos ou em dispositivos termicamente controlados, aumentando sua produtividade.
Este estudo confirma mais uma vez que a ciência moderna é seriamente levada pelo princípio da "eficiência no dedal", que não pode ser chamado de empreendimento estúpido, dados os recursos limitados do planeta e o aumento contínuo da demanda por todos os tipos de inovações tecnológicas.
Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham uma boa semana de trabalho, pessoal! :)
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