Зачем грелка, если есть ноутбук: исследование термического сопротивления на атомарном уровне

Многим геймерам по всему миру, заставшим эпоху Xbox 360, очень знакома ситуация, когда их консоль превращалась в сковороду, на которой можно было жарить яичницу. Подобная печальная ситуация встречается не только с игровыми консолями, но и с телефонами, ноутбуками, планшетами и многим другим. В принципе, практически любая электроника может испытывать тепловой удар, что может привести не только к ее поломке и расстроенным чувствам ее владельца, но и к «бада-бум» батареи и серьезным травмам. Сегодня мы с вами познакомимся с исследованием, в котором ученые из Стэнфордского университета, аки Ник Фьюри из комиксов, создали щит, оберегающий термочувствительные детали электроники от перегрева и, как следствие, предотвращающий их поломку. Как ученым удалось создать термо-щит, какие его основные компоненты и насколько он эффективен? Об этом и не только мы узнаем из доклада исследовательской группы. Поехали.

Основа исследования

Проблема перегрева известна уже очень давно, и ученые решают ее самыми разными способами. Одними из самых популярных считается внедрение стекла, пластика и даже прослоек воздуха, которые служат своего рода изоляторами теплового излучения. В современных реалиях этот метод можно усовершенствовать, уменьшив толщину защитного слоя до нескольких атомов, не потеряв его термоизоляционных свойств. Именно это исследователи и сделали.

Речь идет, конечно же, о наноматериалах. Однако их применение в термоизоляции ранее было усложнено тем, что длина волны теплоносителей (фононов*) значительно короче, чем у электронов или фотонов.

Фонон* — квазичастица, представляющая собой квант колебательного движения атомов кристалла.

Кроме того, ввиду бозонной природы фононов, управлять ими посредством напряжения (как это делается с носителями заряда) невозможно, что в целом затрудняет управление переносом тепла в твердых телах.

Ранее управление термическими свойствами твердых тел, как нам напоминают исследователи, осуществлялось посредством наноламинатных пленок и сверхрешеток за счет структурного разупорядочения и высокой плотности интерфейсов либо посредством кремниевых и германиевых нанопроводов за счет сильного фононного рассеяния.

К ряду вышеописанных методов теплоизоляции ученые с уверенностью готовы приписать двумерные материалы, толщина которых не превышает нескольких атомов, что позволяет легко ими управлять в атомарном масштабе. В своем исследовании они использовали ван-дер-ваальсовскую (vdW) сборку атомарно тонких 2D-слоев для достижения очень высокого теплового сопротивления по всей их гетероструктуре.

Силы Ван-дер-Ваальса* — силы межмолекулярного/межатомного взаимодействия с энергией 10-20 кДж/моль.

Новая методика позволила получить термическое сопротивление в vdW гетероструктуре толщиной 2 нм, сопоставимое с аналогичным в слое SiO₂ (диоксид кремния) толщиной 300 нм.

Кроме того, применение vdW гетероструктур позволило получить контроль над термическими свойствами на атомарном уровне посредством наслоения гетерогенных двумерных монослоев с различными атомными массовыми плотностями и колебательными модами.

Итак, не будем тянуть кота за усы и приступим к рассмотрению результатов сего удивительного исследования.

Результаты исследования

Прежде всего ознакомимся с микроструктурными и оптическими характеристиками vdW гетероструктур, использованных в данном исследовании.


Изображение №1

На изображении 1а показана схема поперечного сечения четырехслойной гетероструктуры, состоящей из (сверху вниз): графен (Gr), MoSe₂, MoS₂, WSe2₂ и подложки из SiO₂/Si. Для одновременного сканирования всех слоев используется рамановский лазер* с длиной волны 532 нм.

Рамановский лазер* — тип лазера, в котором основным механизмом усиления света является комбинационное рассеяние.

Комбинационное рассеяние света, в свою очередь, это неупругое рассеяние оптического излучения на молекулах вещества, которое сопровождается значительным изменением частоты излучения.

Для подтверждения микроструктурной, термической и электрической однородности гетероструктур было применено сразу несколько методов: сканирующая просвечивающая электронная микроскопия (STEM), фотолюминесцентная спектроскопия (PL), зондовая микроскопия методом Кельвина (KPM), сканирующая тепловая микроскопия (SThM), а также рамановская спектроскопия и термометрия.

Изображение 1b демонстрирует нам спектр комбинационного рассеяния гетероструктуры Gr/MoSe₂/MoS₂/WSe2₂ на подложке SiO₂/Si в месте, отмеченном красной точкой. Данный график показывает сигнатуру каждого монослоя в массиве слоев, а также сигнатуру Si-подложки.

На 1c-1f показаны темнопольные STEM снимки гетероструктуры Gr/MoSe₂/MoS₂/WSe2₂ (1с) и гетероструктуры Gr/MoS₂/WSe2₂ (1d-1f) с различными ориентациями решетки. STEM снимки показывают атомно близкие vdW промежутки без каких-либо загрязнений, что позволяет целиком увидеть общую толщину этих гетероструктур. Также было подтверждено наличие межслойной связи и на больших площадях сканирования посредством фотолюминесцентной (PL) спектроскопии (1g). Фотолюминесцентный сигнал отдельно взятых слоев внутри гетероструктуры значительно подавлен по сравнению с сигналом изолированного монослоя. Это объясняется процессом межслойной передачи заряда вследствие тесного межслойного взаимодействия, которое становится еще более сильным после отжига.


Изображение №2

Дабы измерить тепловой поток, перпендикулярный атомным плоскостям гетероструктуры, массив слоев был структурирован в форме четырехзондовых электрических устройств. Верхний слой графена контактирует с электродами из палладия (Pd) и используется в качестве нагревателя для измерений термометрии комбинационного рассеяния.

Этот метод электрического нагрева обеспечивает точное количественное определение входной мощности. Другой возможный метод нагрева, оптический, был бы более сложным в реализации ввиду незнания коэффициентов поглощения отдельно взятых слоев.

На 2а показана схема четырехзондового измерения, а на 2b показан вид сверху тестируемой структуры. График 2с показывает измеренные характеристики передачи тепла для трех устройств, одно из которых содержит только графен, а два — массивы слоев Gr/WSe2₂ и Gr/MoSe₂/WSe2₂. Все варианты демонстрируют амбиполярное поведение графена, что связано с отсутствием запрещенной зоны.

Также было установлено, что проводимость тока и нагрев происходят в верхнем слое (в графене), так как его электропроводность на несколько порядков выше, чем у MoS₂ и WSe2₂.

Для демонстрации однородности тестируемых устройств были проведены измерения посредством зондовой микроскопии методом Кельвина (KPM) и сканирующей тепловой микроскопии (SThM). На графике 2d отображены KPM измерения с выявлением линейного распределения потенциала. Результаты SThM анализа показаны на 2е. Тут мы видим карту электрически нагретых каналов Gr/MoS₂/ WSe2₂, а также наличие равномерности в нагреве поверхности.

Вышеописанные техники сканирования, в частности SThM, подтвердили однородность исследуемой структуры, то есть ее гомогенность, в аспекте температур. Следующим шагом стало количественное определение температуры каждого из составляющих слоев, выполненное с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния (т.е. рамановской спектроскопии).

Были проверены все три устройства, площадь каждого из которых составляла ~40 мкм². При этом мощность нагревателя изменялась на 9 мВт, а мощность поглощенного лазера была ниже ~5 мкВт при площади лазерного пятна ~0.5 мкм².


Изображение №3

На графике 3а видно повышение температуры (∆T) каждого слоя и подложки по мере увеличения мощности нагревателя в гетероструктуре Gr/MoS₂/WSe2₂.

Наклоны линейной функции для каждого материала (слоя) указывают на термическое сопротивление (R_th=∆T/P) между отдельно взятым слоем и теплоотводом. Учитывая равномерное распределение нагрева по площади, термические сопротивления достаточно просто проанализировать от нижнего к верхнему слою, в процессе чего их значения нормализуются по площади канала (WL).

L и W являются длиной и шириной канала, которые значительно превышают толщину подложки SiO₂ и латеральную длину термического нагрева, которая равна ~0.1 мкм.

Следовательно, можно вывести формулу термического сопротивления подложки Si, которая будет выглядеть так:

R_th,Si ≈ (WL)^1/2 / (2k_Si)

В данной ситуации k_Si ≈ 90 Вт·м⁻¹·K⁻¹, что является ожидаемой теплопроводностью подобной высоколегированной подложки.

Разница между R_th,WSe2 и R_th,Si является суммой термического сопротивления SiO₂ толщиной 100 нм и граничного термического сопротивления (TBR) интерфейса WSe₂/SiO₂.

Сложив воедино все вышеописанные аспекты, можно установить, что Rth,MoS₂ − Rth,WSe₂ = TBRMoS₂/WSe₂, а Rth,Gr − Rth,MoS₂ = TBRGr/MoS₂. Следовательно, из графика 3а можно извлечь значение TBR для каждого из интерфейсов WSe₂/SiO₂, MoS₂/WSe₂ и Gr/MoS₂.

Далее ученые сравнили общее термическое сопротивление всех гетероструктур, измеренное посредством рамановской спектроскопии и термической микроскопии (3b).

Двухслойные и трехслойные гетероструктуры на SiO₂ продемонстрировали эффективное термическое сопротивление в диапазоне от 220 до 280 м² · К/ГВт при комнатной температуре, что эквивалентно термическому сопротивлению SiO₂ толщиной от 290 до 360 нм. Несмотря на то, что толщина исследуемых гетероструктур не превышает 2 нм (1d-1f), их теплопроводность составляет 0.007-0.009 Вт·м⁻¹·K⁻¹ при комнатной температуре.


Изображение №4

На изображении №4 показаны результаты измерений всех четырех структур и граничной термической проводимости (TBC) их интерфейсов, что позволяет оценить степень влияния каждого из слоев на измеренное ранее термическое сопротивление (TBC = 1 / TBR).

Исследователи отмечают, что это является первым в истории измерением TBC для атомарно близких интерфейсов между отдельными монослоями (2D/2D), в частности между монослоями WSe₂ и SiO₂.

TBC монослойного интерфейса WSe₂/SiO₂ ниже, чем у многослойного WSe₂/SiO₂, что неудивительно, так как в монослое значительно меньше изгибных фононных мод, доступных для передачи. Проще говоря, TBC интерфейса между 2D слоями ниже, чем TBC интерфейса между 2D слоем и 3D подложкой SiO₂ (4b).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Данное исследование, как утверждают сами ученые, дает нам знания, которые можно применить в реализации атомарных тепловых интерфейсов. Этот труд показал возможность создания теплоизолирующих метаматериалов, свойства которых не встречаются в природе. Кроме того исследование также подтвердило возможность проведения точнейших измерений температуры таких структур, несмотря на атомарный масштаб слоев.

Вышеописанные гетероструктуры могут стать основой сверхлегких и компактных тепловых «щитов», способных, например, отводить тепло от горячих точек в электронике. Кроме того, данная технология может быть использована в термоэлектрических генераторах или в термически управляемых устройствах, повышая их производительность.

Данное исследование лишний раз подтверждает, что современная наука всерьез увлеклась принципом «эффективность в наперстке», что нельзя назвать глупой затеей, учитывая ограниченность ресурсов планеты и непрекращающийся рост спроса на всякого рода технологичные инновации.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята! :)

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?