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 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 () 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 показана схема четырехзондового измерения, а на 2b показан вид сверху тестируемой структуры. График 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 . 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 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 (Rth=∆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:

    Rth,Si ≈ (WL)1/2 / (2kSi)

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

    Разница между Rth,WSe2 и Rth,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 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?
    • +18
    • 4,4k
    • 8
    ua-hosting.company
    501,96
    Хостинг-провайдер: серверы в NL / US до 100 Гбит/с
    Поделиться публикацией

    Комментарии 8

      0
      создали щит, оберегающий термочувствительные детали электроники от перегрева

      Так термочувствительные детали электроники, как правило, сами и являются источниками тепла, от которого их нужно оберегать.
        0
        Похоже задача ставилась — защитить хотя бы соседей нагревающегося элемента. Те же аккумуляторы рядом с процессором — почему бы и не защищать, сам по себе аккумулятор нагревается не настолько сильно.
        Да, при этом термочувствительная электроника лишается побочного термоотвода
          0

          Я видел видеорегистратор где аккумулятор служил радиатором. Между аккумулятором и процессором была термопаста.

        +1
        Читал про уникальный материал который был бы идеальным тепловым щитом — starlite, только не понятно правда это или нет. По идее проверки были серьёзные, но что-то не сходится.
          0
          Одними из самых популярных считается внедрение стекла, пластика и даже прослоек воздуха, которые служат своего рода изоляторами теплового излучения
          воздух — довольно неплохой теплоизолятор (именно об этом, видимо, и речь, а не о защите от теплового излучения), но точно очень плохой изолятор для теплового излучения: для того, чтобы материал был хорошим изолятором для теплового излучения, он должен либо отражать тепловое излучение (тогда мы не смогли бы пользоваться тепловизорами), либо хорошо его поглощать (опять прощай тепловизоры), обладая хорошей теплоёмкостью (этого нет, но уже и не важно)
            0
            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.

            Если у проектировщиков руки кривые, то да. И современные материалы им тоже не помогут.
            Но встречаются и нормально сделанные устройства, например, бюджетный десктоп HP Pavilion p6-2047 работает с 2012 года ежедневно, никогда и нигде термопаста не менялась, только пыль внутри убирается пылесосом 3-4 раза в год. Aida64 показывает температуру процессора в режиме печатания текста 39-41 градус. Температура дисков 36-38.
              +2
              Маааам, хочу кварцевый осциллятор с двойным термостатированием с термосом из ентой штуковины.
                +1
                Простите, но первый плюс за КДПВ уже поставил, а второй — за прекрасную статью, почему-то не получается. :)

                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                Самое читаемое