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超薄绝缘材料问世:它们只有十个原子厚或改变

来源:http://www.yamato-giken.com 作者:威尼斯 时间:2019-09-01 18:41

原标题:出现超薄绝缘体。厚度只有10个原子或将推翻便携式电子设备的设计

今天,智能手机,笔记本电脑和其他电子设备在工作和生活中不断增长,并且在使用这些设备方面变得越来越重要是的。起床如果设备过热,则可能非常烦人,例如握着热手或担心父母触摸主机检查帖子。此外,如果设备过热,某些组件可能会发生故障。在极端情况下,锂电池甚至会爆炸。

工程师尽最大努力避免电子设备过热。它们通常使用多层玻璃,塑料或空气作为隔热层,以防止加热元件(如微处理器)产生的热量损坏其他组件或使用户感到沮丧。 小型电子设备,隔热设计甚至整体保温系统的发展趋势对工程师来说并不是一个小小的挑战。

然而,斯坦福大学研究人员最近的发现可以帮助工程师解决未来小型电子设备中的隔热设计问题。 我们的实验表明,使用只有几个原子厚度和100倍厚度的玻璃可以获得相同的隔热效果。 斯坦福大学材料科学与工程学院教授,​​研究负责人Eric Pop说:该研究发表在Science Advances杂志上。

关于这项研究的独特性, Pop说: “我们的研究团队正在以全新的方式研究电子设备的热度。将其视为声音

图|“燃烧”声波曲线(来源:DeepTech)

将热量视为声音 < / p>

您能想象使用笔记本电脑或手机时感受到的热量实际上是否合理?当然,这不是笔记本电脑粉丝的话题。

如果您认为这是不可靠的,请仔细考虑我们学到的基本物理。线中电流的形成根据电子在其中的运动形成电子流。当这些电子移动时,它们与通过的材料的原子(例如电阻)碰撞,并且每次发生碰撞时,材料的一个原子振动。电流越高,碰撞发生的频率越高,最终会发展成像钟形一样击中原子的电子图像。这种“吱吱”的振动远远高于人类听觉阈值,因此产生的能量对我们来说很热。

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中国古代道家学派的哲学术语是“光滑自然的冷静”。在辩证法中,它意味着“如果你周围的声音太大,人们会变得更热。”

回到斯坦福大学的发现,研究人员也有了“将热量作为一种声音”的想法。这刺激了从物质世界中学习的欲望。 当在斯坦福大学的学校广播电台Kelvin 90.1 FM担任电台DJ时,Pop让音乐工作室安静下来。这是因为有一个专门设计用来阻挡外部声音的厚玻璃窗。

目前电子产品的隔热设计与上述原理类似。如何提高保温性是工程师永恒的话题。如果参考工作室增加或加厚隔音玻璃并增加隔热效果,电子产品的开发将在更薄更薄的方向上受到阻碍。因此斯坦福大学的研究人员借用多层玻璃来加热房间(填充不同厚度的玻璃之间的空气层)并设计了多层材料薄膜。

图| A.在入射拉曼激光检测下的Gr / MoSe2 / MoS2 / WSe2“夹层”结构的横截面。 B~E。横截面截图四(B)和三个混合在SiO2衬底上由于碳原子相对较少单个(C到E)异质结构,每个异质结构上的单层石墨烯很难识别(来源: 科学进步)

创新的“三明治”结构设计

纳米材料的异质结构整合了各个结构基元的特性,使原子和电子结构的调制能够实现新的功能。这使得纳米异质结构的合成成为一个新兴领域,充满机遇和挑战,使更先进的电子和光子学应用成为可能。 但在热应用领域,相应的进展缓慢。 斯坦福大学这次取得了突破性进展。研究团队通过层压和层压二维材料开发出具有超高绝缘性的超薄异质结构。 在单层石墨烯,MoS2和WSe2的层压成功后,我们实现了一种薄膜材料,其具有100倍的SiO2耐热性和比室温下的空气更好的导热性。

在这种“三明治”结构中,石墨烯是单层,而其他三种片材是三原子厚。这产生了一个只有10个原子的四层绝缘体。不要以为这种绝缘很薄,也行不通。该结构可以充分抑制原子的热振动。当原子穿过每层时,大部分能量都会消失。

图| 4层薄膜传热测试的横截面示意图 - 电流流过石墨烯的顶部,热量在各层之间消散,最后热量非常高传入基数(来源: 科学进展)

与此同时,研究人员还分析了每层“三明治”材料的耐热性。通过稳定的热源加热它们并分别监测每一层。结果表明,“三明治”各层在传热过程中具有良好的隔热性能,且性能线性稳定。

图| SThM热图4层结构。在通道中显示均匀的温度分布并检查层之间的热层 耦合均匀性(来源: 科学进步)

未来的应用前景

新材料结构在将其放入应用程序级别(实现大规模生产的方式)之前面临同样的问题。这个问题在2D材料领域尤其困难,特别是在这种薄材料结构中。 斯坦福大学的研究人员表示,他们开始通过在制造过程中喷涂电子元件或沉积薄膜材料来探索大规模生产技术。图层设计。

研究团队确信调查结果将在应用程序中实施,并且发现可以在生产中使用而不需要太长时间。我想。 。 这可能会对未来电子产品的设计造成严重影响。

图|芯片过热(来源: 创意灵魂/ Adob​​e Stock)

对于常用的电子产品,笔记本电脑的设计过程需要考虑用户的舒适度以及内部组件的散热是否会影响性能和寿命你知道。计算机。最好的方法是在掌托和键盘上使用绝缘设计,以避免直接接触手。同时,机身底部采用高导热材料制成,以增强散热功能。

这种新型绝缘薄膜可保护您的双手,并在需要加热的地方创造合适的传热路径。此外,它依靠其极薄的功能为笔记本电脑提供了出色的设计空间,在确保强大性能的同时提高了亮度和薄度。

对于其他电子设备,如智能手机和平板电脑,他们是在寻找热量还是绝缘的问题困扰着工程师。 在SoC(片上系统)的情况下,如果纯粹追求保温,机身的内部温度会变得过高,而SoC需要进行下变频。如果只需要加热,它会导致躯干。它很热,影响用户体验。新的绝缘薄膜可能是平衡上述问题的好方法。

校长Pop说: “作为一名工程师,我学到了很多关于如何控制电力的知识,而且我对光线的理解也越来越好。但我刚开始明白如何控制高频。显示的声音。

事实上,你可以看到科学家隐藏的雄心壮志背后的短期目标是开发更薄的绝缘材料。他们希望有一天他们能够控制材料内部的振动能量,如电流和光电流控制。这可能会导致人们将来使用的电子产品发生惊人的变化。

参考:

https://advances.sciencemag.org/content/5/8/eaax1325

https://www.sciencedaily.com/releases/2019/08/190819112723.htm

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