当世界上许多进入Xbox 360时代的游戏玩家都非常熟悉这种情况，他们的游戏机变成了一个用来煎鸡蛋的锅。 不仅在游戏机上，而且在手机，笔记本电脑，平板电脑等等上，都发现了类似的悲惨情况。 原则上，几乎任何电子产品都会经历中暑，这不仅会导致其损坏和所有者不安，还会导致电池的“爆棚”和严重伤害。 今天，我们将与您会面进行一项研究，斯坦福大学的科学家们像漫画中的尼克·弗里一样，创造了一种屏蔽层，可保护电子设备的热敏部件免于过热，从而防止其破裂。 科学家如何设法创建隔热屏，隔热屏的主要成分是什么，效果如何？ 这不仅是我们从研究小组的报告中学到的。 走吧
学习基础
过热问题已经很长时间了，科学家以多种方式解决了这一问题。 最受欢迎的方法之一是引入玻璃，塑料甚至空气层，它们可以用作热辐射的绝缘体。 在现代现实中，可以通过将保护层的厚度减小到几个原子来改进这种方法，而又不会失去其隔热性能。 这就是研究人员所做的。
当然，这是关于纳米材料的。 但是，由于冷却剂（
声子* ）的波长比电子或光子的波长短得多，因此它们在隔热中的使用以前变得很复杂。
声子*是表示晶体原子振动运动量子的准粒子。
此外，由于声子的强子性，不可能通过电压来控制它们（就像使用电荷载流子一样），这通常会使固体中传热的控制变得复杂。
正如研究人员提醒我们的那样，以前，由于结构紊乱和界面密度高，通过纳米层压膜和超晶格控制了固体的热性能；由于声子的强烈散射，也通过硅和锗纳米线控制了固体的热性能。
科学家已经准备好归因于上述两种使用二维材料进行绝热的方法，它们的厚度不超过几个原子，这使得在原子尺度上控制它们变得容易。 在他们的研究中，他们使用原子薄2D层的
范德华 （vdW）组件在其整个异质结构上实现了很高的热阻。
范德华力* -分子间/原子间相互作用的力，能量为10-20 kJ / mol。
新技术使得在厚度为2 nm的vdW异质结构中获得的热阻与厚度为300 nm的SiO
2层（二氧化硅）相当。
另外，通过使用具有不同原子质量密度和振动模式的异质二维单层，可以使用vdW异质结构对原子级的热性能进行控制。
因此，我们不会将猫拉到胡须上，而是继续考虑这项惊人研究的结果。
研究成果
首先，我们将了解本研究中使用的vdW异质结构的微观结构和光学特性。
图片编号1图
1a示出了四层异质结构的横截面图，该异质结构由（自上而下）：石墨烯（Gr），MoSe
2 ，MoS
2 ，WSe2
2和SiO
2 / Si衬底组成。 为了同时扫描所有层，使用了波长为532 nm的
拉曼激光* 。
拉曼激光器*是一种激光器，其中拉曼散射是放大光的主要机制。
反过来， 拉曼散射是物质分子对光辐射的非弹性散射，伴随着辐射频率的显着变化。
几种方法用于确认异质结构的微观结构，热和电均质性：扫描透射电子显微镜（STEM），光致发光光谱（PL），探针开尔文显微镜（KPM），扫描热显微镜（SThM）以及拉曼光谱和测温法。
图像
1b向我们展示了在红点表示的SiO
2 / Si衬底上Gr / MoSe
2 / MoS
2 / WSe2
2异质结构的拉曼光谱。 该图显示了层阵列中每个单层的签名以及Si衬底的签名。
图1c -
1f显示了具有不同晶格取向的Gr / MoSe
2 / MoS
2 / WSe2
2异质结构（
1c ）和Gr / MoS
2 / WSe2
2 （
1d -
1f ）异质结构的暗场STEM图像。 STEM图像显示原子间紧密的vdW间隙，没有任何污染，这使您可以完全看到这些异质结构的总厚度。 还通过光致发光（PL）光谱（
1g ）在大范围扫描中确认了层间通讯的存在。 与隔离的单层信号相比，异质结构内部各个层的光致发光信号得到了显着抑制。 这是由于紧密的层间相互作用导致的层间电荷转移过程解释的，该过程在退火后变得更强。
图片编号2为了测量垂直于异质结构原子平面的热通量，层阵列以四探针电气设备的形式构造。 石墨烯的顶层与钯（Pd）电极接触，并用作测量拉曼温度的加热器。
这种电加热方法可以准确量化输入功率。 由于不了解各个层的吸收系数，因此将更难以实施另一种可能的加热方法，即光学方法。
图2a示出了四探针测量方案，而图
2b示出了测试结构的俯视图。 曲线
2c显示了三个器件的测得的传热特性，其中一个仅包含石墨烯，两个阵列为Gr / WSe2
2和Gr / MoSe
2 / WSe2
2层。 所有变体都证明了石墨烯的双极性行为，这与不存在禁区有关。
还发现电流导电性和加热发生在上层（石墨烯中），因为其导电性比MoS
2和WSe2
2高几个数量级。
为了证明被测设备的均质性，使用探针开尔文显微镜（KPM）和扫描热显微镜（SThM）进行了测量。 图
2d显示了KPM测量值，揭示了线性电势分布。 SThM分析的结果显示在
2e中 。 在这里，我们看到了电加热的Gr / MoS
2 / WSe2
2通道的图，以及表面加热的均匀性。
上述扫描技术，特别是SThM，证实了所研究结构的均匀性，即就温度而言的均匀性。 下一步是使用拉曼光谱法（即拉曼光谱法）对各组成层的温度进行定量测定。
测试了所有三个器件，每个器件的面积约为40μm2。 在这种情况下，加热器功率改变了9 mW，并且在〜0.5μm2的激光光斑区域处吸收的激光的功率低于〜5μW。
图片编号3图
3a显示了随着Gr / MoS
2 / WSe2
2异质结构中加热器功率的增加，每一层和基板的温度（∆T）的增加。
每种材料（层）的线性函数的斜率表示单层和散热器之间的热阻（R
th =ΔT/ P）。 给定整个区域中热量的均匀分布，从下层到上层分析热阻非常简单，在此期间，它们的值可以通过通道面积（WL）进行归一化。
L和W是通道的长度和宽度，大大超过了SiO
2衬底的厚度和热加热的横向长度，即〜0.1μm。
因此，我们可以得出Si衬底热阻的公式，如下所示：
R
th， Si≈（WL）
1/2 /（2
k Si ）
在这种情况下，
k Si≈90 W m
– 1 K
– 1 ，这是这种高掺杂衬底的预期热导率。
R
th，WSe 2和R
th，Si之间的差是厚度为100 nm的SiO
2的热阻与WSe
2 / SiO
2界面的边界热阻（TBR）之和。
综合以上所有方面，我们可以确定Rth，MoS
2 -Rth，WSe
2 = TBRMoS
2 / WSe
2 ，Rth，Gr-Rth，MoS
2 = TBRGr / MoS
2 。 因此，可以从图
3a提取出WSe
2 / SiO
2 ，MoS
2 / WSe
2和Gr / MoS
2界面的TBR。
然后，科学家们比较了通过拉曼光谱和热显微镜测量的所有异质结构的总热阻（
3b ）。
两层和三层SiO
2异质结构在室温下显示的有效热阻在220至280 m
2 ·K / GW范围内，相当于厚度为290至360 nm的SiO
2的热阻。 尽管研究的异质结构的厚度不超过2 nm（
1d -
1f ），但它们在室温下的热导率为0.007–0.009 W m
– 1 K
– 1 。
图片编号4图像4显示了所有四个结构及其界面的边界热导率（TBC）的测量结果，这使我们能够估计每层对先前测量的热阻的影响程度（TBC = 1 / TBR）。
研究人员指出，这是有史以来首次TBC测量，用于单个单分子层（2D / 2D）之间，特别是单分子层WSe
2和SiO
2之间原子上紧密的界面。
WSe
2 / SiO
2单层界面的TBC低于WSe
2 / SiO
2多层界面的TBC，这并不奇怪，因为该单层具有可用于传输的弯曲声子模式明显更少。 简而言之，2D层之间的TBC界面低于2D层和3D SiO
2衬底（
4b ）之间的TBC界面。
为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我建议您研究一下
科学家的
报告和
其他材料 。
结语
根据科学家自己的研究，这项研究为我们提供了可用于实现原子热界面的知识。 这项工作表明，有可能制造出隔热材料，而隔热材料的性质在自然界中是找不到的。 此外，研究还证实了尽管这些层的原子尺度，但仍可以对此类结构进行精确的温度测量。
上面描述的异质结构可以成为超轻和紧凑的热“屏蔽”的基础，例如，可以从电子设备的热点中去除热量。 另外，该技术可用于热电发电机或热控设备中，从而提高其生产率。
这项研究再次证实，由于地球资源有限且对各种技术创新的需求不断增加，现代科学已被“顶针效率”原则严重推翻，这不能被称为愚蠢的事业。
谢谢大家的关注，保持好奇心，祝大家工作愉快！ :)
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