النقل الحراري في التراكيب غير المتجانسة ثنائية الأبعاد

جذبت الهياكل غير المتجانسة القائمة على المواد ثنائية الأبعاد اهتمامًا شديدًا في فيزياء الكم في العقود الأخيرة؛ بسبب خصائصها الفيزيائية والكيميائية غير العادية والقابلة للضبط، والتي يمكن تحويلها إلى تطبيقات هندسية واعدة تتراوح من الإلكترونيات والضوئيات والصوتيات إلى استعادة الطاقة، حيث يعد الفهم الأساسي للنقل الحراري في الهياكل غير المتجانسة ثنائية الأبعاد أمرًا بالغ الأهمية لتطوير أجهزة النانو الدقيقة بناءً عليها.

ما هو النقل الحراري في التراكيب غير المتجانسة

ألهمت الخصائص الفيزيائية والكيميائية الممتازة للجرافين بما في ذلك الاستقرار الحراري الفائق والموصلية العالية والقوة الميكانيكية الملائمة وامتصاص النطاق العريض اهتمامًا كبيرًا ليس فقط في جوانبه الأساسية والتطبيقية، لكن أيضًا في استكشاف المواد الأخرى ثنائية الأبعاد، وبعد ذلك العديد من المواد ثنائية الأبعاد لما بعد الجرافين تتراوح من نيتريد البورون السداسي (h-BN) والسيليسين وديكالوجينيد المعدني الانتقالي (TMDC) مثل (MoS2) و(MoSe2)، إلى الفوسفيرين والبوروفين.

تم تصنيع هذه المواد ثنائية الأبعاد وهي تقدم خصائص إلكترونية وحرارية وبصرية متنوعة، والتي يمكن أن تكون مكملة لخصائص الجرافين، على سبيل المثال بالمقارنة مع فجوة النطاق الصفرية للجرافين، إذ تُظهر (MoS2) فجوة نطاق مباشرة؛ مما يجعلها مادة جذابة للتطبيقات الإلكترونية النانوية مثل الترانزستورات ذات التأثير الميداني مع نسبة تشغيل أو إيقاف عالية واستهلاك منخفض للطاقة.

مثال آخر وهو ستانين، إذ أنه عبارة عن بنية قرص العسل ذات طبقة واحدة من ذرة القصدير، حيث تم إثبات أنه قريب من درجة حرارة الغرفة الشاذة في تأثير هول والتوصيل الحراري المنخفض للغاية، وهو مناسب بشكل خاص للأجهزة الكهروحرارية، علاوة على ذلك أظهرت مواد نيتريد الكربون العضوية ثنائية الأبعاد كمشتقات الجرافين نشاطًا تحفيزيًا عاليًا؛ بسبب تفاعلها البيني ويمكن استخدامها كجيل جديد من الحفاز الضوئي عالي الفعالية.

أهمية الهياكل المتجانسة ثنائية الأبعاد

في الآونة الأخيرة استحوذ البحث على الهياكل غير المتجانسة المكونة من مواد ثنائية الأبعاد مميزة على قدر كبير من الاهتمام لأن ظهورها يمكن أن يجلب خصائص فيزيائية جديدة ومثيرة تتجاوز أيًا من الهياكل أحادية الطبقة المكونة الفردية ويوفر درجات إضافية من الحرية لهندسة الأجهزة، وعادة يتم تقسيم الهياكل غير المتجانسة إلى فئتين، وهي الهياكل غير المتجانسة في المستوى حيث يتم خياطة مادتين ثنائي الأبعاد بسلاسة في مستوى مشترك بواجهة 1D حادة ذريًا، وهياكل فان دير فالس (vdW) غير المتجانسة.

حيث يتم تكديس المواد المتميزة ثنائية الأبعاد عموديًا مع قوى فان دير فالس (vdW) غير المرتبطة بين الطبقات المجاورة، وتم الاستفادة من ذلك في التقدم المحرز في التكنولوجيا الدقيقة، حيث يمكن تصنيع الهياكل غير المتجانسة داخل الطائرة عالية الجودة من الجرافين أو (h-BN) عبر طريقة ترسيب البخار الكيميائي (CVD) ،Ci وآخرون.

وبناءً على طريقة التحضير نفسها فإن دمج الطبقات الأحادية (MoS2) أو (MoSe2) أو (WSe2) في بنية غير متجانسة قد وفر إمكانية إنتاج تلألؤ ضوئي موضعي قوي وتقاطعات (pn) داخل الطائرة؛ مما يُظهر المنظورات في الترانزستورات الضوئية والترانزستور ذو التأثير الميداني، وتحتوي مزايا الهياكل غير المتجانسة في المستوى بشكل أساسي على محاذاة نطاق أبسط وفصل طور أكثر تميزًا وعملًا بينيًا قويًا.

بالمقارنة مع الهياكل غير المتجانسة داخل المستوى التي تتطلب الهياكل الشبكية المتطابقة للمواد المكونة فإن الهياكل غير المتجانسة فان دير فالس (vdW) تخلق بشكل جوهري واجهة فائقة النظافة بغض النظر عن قيود مطابقة الشبكة البينية النموذجية، وهو أمر بالغ الأهمية لأجهزة الأنفاق التي تعاني من عيوب وانخلاعات بينية، وبالإضافة إلى ذلك توفر الهياكل غير المتجانسة لـ فان دير فالس (vdW) آليات جديدة لمعالجة خصائص الجهاز الناشئ عبر تسلسل التراص والدوران النسبي بين الطبقات المجاورة وكذلك التباعد بين الطبقات.

النقل الحراري في قوى فان دير فال

أدى تخليق الهياكل النانوية متعددة الطبقات إلى إدارة أفضل لانتقال الحرارة على المستوى النانوي، حيث هناك العديد من المعلمات التي تؤثر على هذه الظاهرة من بينها يجب تحليل السمات الهندسية للطبقات وترابطها بعمق، إن نقل الحرارة في بنية غير متجانسة ثنائية الأبعاد لفان دير فال تتكون من طبقة محدودة الطول مطلية فوق طبقة سفلية أطول يتم فحصها بناءً على نموذج تحليلي مطور حديثًا.

وفقًا لذلك قام العلماء بدراسة تدفقات الحرارة داخل الطائرة وعبر المستوى بدقة جنبًا إلى جنب مع ملف تعريف درجة الحرارة داخل الطبقات، حيث تم إثبات أنه من خلال زيادة طول التراكب تتحسن قدرة النقل الحراري للنظام وتقل قفزة درجة الحرارة بين الطبقات.

بالإضافة إلى ذلك، تكشف النتائج أنه من خلال زيادة نسبة التوصيل الحراري المستوي إلى داخل الطائرة يعزز التدفق الحراري الكلي في البنية غير المتجانسة، وعلاوة على ذلك بالنسبة للطبقات غير المتجانسة مع أنواع مختلفة من المواد، يتم فحصها تأثير الموصلية الحرارية من الطبقة العليا المحدودة على النقل الحراري الكلي بشكل منهجي، ويمكن استخدام نتائج هذه الدراسة عمليًا في التصميم الحراري لهياكل فان دير فالس غير المتجانسة ثنائية الأبعاد.

كيف يتم النقل الحراري في بنى غير متجانسة ثنائية الأبعاد

يتم دراسة النقل الحراري في البنى غير المتجانسة ثنائية الأبعاد باستخدام مقياس حرارة رامان، وذلك من أجل دراسة الخصائص الحرارية للمواد ثنائية الأبعاد مثل الجرافين و (h-BN)، حيث قام العلماء بتصنيع سلسلة من العينات القائمة بذاتها لتكييف طريقة نقل ميكانيكية قياسية مع هندسة قائمة بذاتها.

تم اختبار العديد من عمليات النقل المعتمدة على البوليمرات المختلفة مثل (PMMA) و (PPC)، وقام العلماء بتصميم وتصنيع سلسلة من ركائز (Si) المقدسة مع ثقوب هندسية دائرية وأقطار مختلفة تتراوح من 5 إلى 50 ميكرومتر.

في حين أن عينات (BN) تم تصنيعها عن طريق التقشير المباشر، وقد تم زراعة عينات الجرافين على ركائز النحاس باستخدام ترسيب البخار الكيميائي ثم نقلها بعد ذلك إلى ركائز (hoy)، وتم قياس الموصلية الحرارية للعينات باستخدام أحدث تقنيات التوصيف الحراري وهي مقياس حرارة رامان ثنائي الليزر وهي طريقة بدون تلامس تعتمد على نهجين من الليزر.

بالإضافة إلى الموصلية الحرارية يمكن أيضًا الحصول على خرائط حرارية توضح بشكل مباشر كيفية تبديد الحرارة عند الإثارة الموضعية إلى الرقائق ثنائية الأبعاد وإلى الركيزة، بالإضافة إلى ذلك قامت هذه التقنية بدراسة نظام درجة الحرارة الأعلى بالقرب من 1000 K، والذي ينتج عنه شبه مستحيل باستخدام طرق بديلة.

أدى تخليق الهياكل النانوية متعددة الطبقات إلى إدارة أفضل لانتقال الحرارة على المستوى النانوي، وهناك العديد من المعلمات التي تؤثر على هذه الظاهرة من بينها، يجب تحليل السمات الهندسية للطبقات وترابطها بعمق، حيث تم نقل الحرارة في بنية غير متجانسة ثنائية الأبعاد لفان دير فال تتكون من طبقة محدودة الطول مطلية فوق طبقة سفلية أطول يتم فحصها بناءً على نموذج تحليلي مطور حديثًا، ووفقًا لذلك يتم دراسة تدفقات الحرارة داخل الطائرة وعبر المستوى بدقة مع ملف تعريف درجة الحرارة داخل الطبقات.