Наслаивание помогло создать рекордную анизотропию теплопроводности
Американские физики изготовили материал с рекордным коэффициентом тепловой анизотропии. Он состоит из монослоев сульфидов переходных металлов, наложенных друг на друга в стопки со случайной ориентацией доменов. Они доказали, что такой материал эффективно охлаждает и одновременно термоизолирует электроды. Исследование опубликовано в Nature.
Одна из главных проблем микроэлектроники, ограничивающих дальнейшую миниатюризацию, — это перегрев микросхем, поэтому крайне важно уметь отводить от них тепло. Помочь в этом могут материалы с анизотропной теплопроводностью. В таких материалах тепло передается с разной скоростью в зависимости от того, в каком направлении идет тепловой поток. Это свойство характеризуется с помощью коэффициента тепловой анизотропии ρ, который равен отношению теплопроводностей вдоль быстрой и медленной осей.
Тепловая анизотропия встречается у природных материалов, например, графита (ρ=340) или нитрида бора (ρ=90), однако они плохо поддаются масштабированию. Кроме того, не у всех природных материалов есть подходящие оптические или электрические свойства. Проблему могли бы решить синтетические материалы, но до недавнего времени физикам не удавалось синтезировать материалы с высоким (более 20) коэффициентом тепловой анизотропии при комнатной температуре.
Группа американских физиков при участии Пола Эрхарта (Paul Erhart) из Технического Университета Чалмерс, Швеция, смогла существенно изменить эту ситуацию. Они изготовили материалы на основе сульфидов переходных металлов (MoS2 и WS2), которые демонстрировали коэффициент тепловой анизотропии, примерно равный 900. Для этого они выращивали поликристаллические монослои с размером доменов около одного микрона, а затем собирали их в стопки в вакуумной среде без контроля ориентации. Такая сборка гарантировала случайную ориентацию решетки вдоль направления, перпендикулярного слоям, что и уменьшало теплопроводность.
Для измерения этого эффекта физики использовали метод термоотражения во временной области. Они измеряли полное термосопротивление для образцов с разным числом слоев в перпендикулярном им направлении, помещая образец между алюминиевым и сапфировым интерфейсами. Термосопротивление линейно росло в зависимости от числа слоев, что позволило извлечь из этих данных перпендикулярную теплопроводность, которая оказалась равна 57 ± 3 милливатта на метр-кельвин для MoS2 и 41 ± 3 милливатта на метр-кельвин для WS2. Примечательно, что в отличие от случая объемных сульфидов переходных металлов, перпендикулярная теплопроводность почти не зависела от температуры, что подтверждает ее нефононный характер.
Следом ученые измерили продольную теплопроводность. Для этого они фокусировали лазерный луч в центр образца, подвешенного над полостью, диаметром пять микрон, при низком давлении, а затем измеряли смещение термочувствительного рамановского пика в зависимости от мощности лазера. Линейный характер этой зависимости позволил вычислить продольную теплопроводность мультислоя MoS2, которая составила 50 ± 6 ватт на метр-кельвин. Уменьшение этой величины с ростом температуры и с сокращением размера доменов свидетельствует о том, что тепло в этом случае переносится с помощью фононов.
Для проверки работоспособности такого материала для охлаждения электродов, авторы нанесли на кремниевую подложку два золотых электрода шириной 100 нанометров, один из которых был покрыт 10-нанометровой пленкой мультислоя MoS2. При пропускании слишком большого тока через тонкие электроды, они нагреваются настолько сильно, что в них начинают происходить эффекты электромиграции, которые приводят к их деградации, либо разрушению. Эксперимент показал, что созданный физиками материал обеспечивает хороший теплоотвод, что позволяет покрытому им электроду выдерживать в среднем на 50 процентов большие токи, чем непокрытому. При этом в направлении, перпендикулярном плоскости, материал термоизолирует электрод.
Авторы предполагают, что предложенным ими способом можно достичь и больших коэффициентов тепловой анизотропии, если вместо сульфидов переходных металлов использовать вещества, с большей продольной теплопроводностью, например, графен. Кроме того, они ожидают, что точный контроль ориентации доменов соседних слоев может обнаружить новые полезные эффекты.
Поворот слоев относительно друг друга позволяет обнаруживать новые свойства у старых материалов. Мы уже рассказывали, как такая процедура изменила магнитные и сверхпроводящие свойства графена.
Марат Хамадеев
Ее температура на прямом солнце оказалась до двух градусов ниже окружающего воздуха
Китайские ученые разработали многослойные цветные пленки, которые могут охлаждать поверхность до двух градусов Цельсия по сравнению с температурой окружающей среды. Высоко-насыщенный цвет этих пленок — до 100 процентов цветопередачи — виден в широком диапазоне углов (± 60 градусов). На создание такой структуры физиков вдохновили бабочки вида Morpho menelaus. Статья опубликована в журнале Optica. Большинство искусственно созданных красок работают из-за поглощения части диапазона видимого света, что может приводить к существенному нагреву окрашенных ими предметов. Чтобы предотвратить нежелательный нагрев часто используют белую краску, которая практически полностью отражает солнечную энергию. Создание разноцветных поверхностей, которые при этом не нагреваются — до сих пор сложная задача. Однако в природе встречается и другой способ цветовой передачи. Например у некоторых бабочек цвет крыльев возникает при возникновении интерференции из-за специфического отражения света от периодической структуры их крыльев. Ван Гопин (Guo Ping Wong) с коллегами из Шеньчжэньского университета предложили свое решение проблемы нагрева окрашенных поверхностей, как раз вдохновившись структурой крыльев бабочек M. menelaus. Благодаря многослойности и наличию неупорядоченных компонентов, крылья бабочек этого вида передают высокую насыщенность синего цвета в широком угле обзора. Ученые воссоздали аналогичную структуру, поместив нескольких слоев из оксидов титана TiO2 и кремния SiO2, на матовое стекло, расположенное на отражающей серебряной поверхности. Ученые оптимизировали толщину верхних слоев и добились полного отражения нежелательного желтого света. При этом синий свет свободно проникал через верхнюю многослойную структуру, испытывал диффузное отражение от неупорядоченного матового стекла, отражался от серебряного зеркала и, возвращаясь через верхнюю многослойную структуру, обеспечивал насыщенный синий цвет образца. В результате ученым удалось добиться высокой насыщенности синего цвета, до 100 процентов, в угле обзора ±60 градусов, за исключением узкого диапазона — зеркального по отношению к падающему свету — в котором отражался желтый цвет. При этом эта пленка обеспечила охлаждение до двух градусов Цельсия ниже температуры окружающей среды, что сравнимо с эффективностью бесцветной охлаждающей пленки на основе серебра и полидиметилсилоксана (ПДМС). Охлаждение образца происходило за счет высокой эффективности диффузного отражения синей части спектра, малого поглощения нежелательной части видимого спектра и ближнего инфракрасного излучения, а также из-за высокого излучения в среднем инфракрасном диапазоне. Ученые создали по той же технологии образцы различных цветов и экспериментально измерили их способность охлаждать поверхности, располагая их на крыше здания института и на автомобилях. Обычная синяя краска при температуре воздуха 27 градусов Цельсия и на прямом солнце нагревалась в этих экспериментах до примерно 70 градусов. А образцы новой пленки в тех же условиях продемонстрировали температуру поверхности до 45 градусов ниже. Авторы статьи подсчитали, что за обычный метеорологический год в Шеньчжене замена обычной синей краски на охлаждающую могла бы привести к сохранению около 1377 мегаджоулей на квадратный метр энергии, требующейся на охлаждение. Ученые полагают, что дальнейшая оптимизация структуры пленок, например замена серебра на многослойный диэлектрик, позволит еще больше увеличить охлаждающий эффект. Ученых не в первый раз привлекла способность неупорядоченных структур в природных объектах к охлаждению. Они хорошо рассеивают солнечный свет, что можно использовать, например, для предотвращения таяния льдов.