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斯坦福热分析新概念 10原子厚隔热材料用于便携设备

作者: admin来源: 本站时间:2019-09-11

仪器信息网讯 斯坦福大学教授Eric Pop发表在Science Advances上的最新研究,利用二维材料分层堆叠的方式制造出了10个原子厚的隔热材料,可在未来用于小型化电子设备的隔热设计问题。他们的实验已经证明了,仅用几个原子厚的材料,就可以达到比其厚 100 倍的玻璃可提供的相同隔热效果。

对于这项研究的独特之处,Pop 说:“我们的研究团队正以一种全新的方式看待电子设备中的热量——将其看作声音。”电线中形成电流,是依靠电子在其中运动形成电子流。当这些电子运动时,就会与它们所经过材料中的原子相碰撞,每发生一次碰撞,就会引起材料中的一个原子振动。电流越大,碰撞也就越频繁,最终可能就会发展为电子像撞钟一样不断敲击原子,而这种“刺耳”的震动远高于人们的听力阈值,所以对于其产生的能量,我们的感觉是热。

目前,如何更好地隔热是工程师们永恒的话题。如果参考录音室增加或增厚隔音玻璃,去增添隔热材料,那就会阻碍电子产品向着更轻薄的方向发展。所以斯坦福大学的研究人员借鉴了多层玻璃让室内更保暖的技巧,设计出一种多层结构的材料薄膜。由于纳米材料的异质结构能够集成各个结构基元的性质,可实现对原子和电子结构的调制,从而获得新的功能。研究团队通过将原子薄厚的二维材料分层堆叠的方式,开发出一种拥有超高隔热性能的超薄异质结构。他们成功地将单层石墨烯、MoS2 和 WSe2 堆叠在一起。在这个“三明治”结构中,石墨烯是单层的,而另外 3 种片状材料均为 3 个原子厚。这样就制成了只有 10 个原子厚的 4 层绝热体。该结构可以很好地抑制原子的热振动,当原子通过每一层时,都会损失大部分能量。这样形成的薄膜材料的热阻是 SiO2 的 100 倍,并且在室温条件下导热效率优于空气。

对于智能手机、平板电脑等其他电子设备来说,它们是追求散热还是隔热的问题一直困扰着工程师。对于 SoC来说,单纯追求隔热,会导致机身内部温度过高,SoC 则需要降频;而如果只追求散热,就会导致机身“烫手”,影响用户的使用体验。而该新型隔热薄膜可能就是平衡上述问题的良方。

负责人 Pop 对外表示:“作为工程师,我们已经学习了很多关于如何控制电力的知识,我们对光的掌握也变得越来越好。但是我们才刚刚开始了解如何控制在原子尺度上表现为‘热’的高频声音。”

拉曼激光.jpg

入射拉曼激光探测下,Gr/MoSe2/MoS2/WSe2 结构的截面示意图;B ~ E. 在SiO2衬底上混合 4 层和 3 层异质结构的横截面截图,由于碳原子的原子数相对较低,在每个异质结构顶部的单层石墨烯很难被识别出来

SThM 热图.jpg

4 层结构的扫描热显微镜热图,显示出通道内均匀的温度分布,证实了叠层中热层间耦合的均匀性

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