Todimensionelle (2D) materialer, der består af et enkelt lag af atomer, bruges generelt i moderne miniaturiserede enheder. Enhedens drift kan dog føre til betydelig temperaturstigning og termisk stress, hvilket forårsager enhedens fejl.
Et sådant problem opstår på grund af en dårlig forståelse af, hvordan 2D-materialer udvider sig, når temperaturen stiger. Disse materialer er tynde og optisk gennemsigtige, så deres termiske udvidelseskoefficient (TEC) er næsten umulige at måle ved brug af standardmetoder. For at løse sådanne termiske udfordringer er det vigtigt at have en god forståelse af den termiske ekspansionskoefficient (TEC).
En ny MIT undersøgelse fremhæver en ny teknik til præcist at måle, hvordan atomtynde materialer udvider sig, når de opvarmes. I stedet for direkte at måle, hvordan materialet udvider sig, brugte de laserlys til at spore vibrationerne i materialets atomer. De målte nøjagtigt den termiske udvidelseskoefficient ved at måle den samme 2D materiale på tre forskellige overflader eller underlag.
Denne metode er meget nøjagtig og opnår resultater, der matcher teoretiske beregninger. Tilgangen bekræfter, at TEC'erne for 2D-materialer falder inden for et meget snævrere område end tidligere antaget. Disse oplysninger kan hjælpe ingeniører med at designe næste generations elektronik.
Medforfatter og tidligere maskiningeniørstuderende Lenan Zhang SM '18, Ph.D. '22, som nu er forsker, sagde, "Ved at bekræfte dette snævrere fysiske område giver vi ingeniører en masse materialefleksibilitet til at vælge bundsubstratet, når de designer en enhed. De behøver ikke at udtænke et nyt bundsubstrat for at afbøde termisk stress. Vi mener, at dette har vigtige konsekvenser for det elektroniske udstyr og emballagesamfundet."
Forskere løste problemet ved at fokusere på de atomer, der udgør 2D-materialet. Når temperaturen stiger, vibrerer dens atomer med en lavere frekvens og bevæger sig længere fra hinanden. Dette får materialet til at udvide sig.
En teknik kaldet mikro-Raman spektroskopi blev brugt til at måle disse vibrationer. Metoden går ud på at ramme materialet med en laser. De vibrerende atomer spreder laserens lys, og denne interaktion kan bruges til at detektere deres vibrationsfrekvens.
Imidlertid ændrer atomerne i 2D-materialet sig i vibration, når substratet strækkes eller trækker sig sammen. For at fokusere på materialets iboende kvaliteter er forskerne forpligtet til at afkoble denne substratpåvirkning. På tre forskellige substrater - kobber, som har en høj TEC, smeltet silica, som har en lav TEC; og et siliciumsubstrat med flere mikroskopiske huller - de målte vibrationsfrekvensen af det samme 2D-materiale. De kan måle disse små områder af fritstående materiale, fordi 2D-materialet svæver over hullerne på sidstnævnte substrat.
Senere placerede videnskabsmænd hvert substrat på en termisk scene for præcist at kontrollere temperaturen, opvarmede hver prøve og udførte mikro-Raman-spektroskopi.
Resultaterne viste også noget uventet: 2D-materialer faldt ind i et hierarki baseret på de elementer, der består af dem. For eksempel har et 2D-materiale, der indeholder molybdæn, altid en større TEC end et, der indeholder wolfram.
Når videnskabsmænd graver dybere, finder de ud af, at dette hierarki er et resultat af en grundlæggende atomegenskab kendt som elektronegativitet.
Yang Zhong, en kandidatstuderende i maskinteknik, sagde: "De fandt ud af, at jo større forskellen er mellem elektronegativiteter af elementer, der danner et 2D-materiale, jo lavere vil materialets termiske udvidelseskoefficient være. En ingeniør kunne bruge denne metode til hurtigt at estimere TEC for ethvert 2D-materiale i stedet for at stole på komplekse beregninger, der typisk skal knuses af en supercomputer."
Zhang sagde, "En ingeniør kan bare søge i det periodiske system, få elektronegativiteterne for de tilsvarende materialer, sætte dem ind i vores korrelationsligning, og inden for et minut kan de have et rimeligt godt estimat af TEC. Dette er meget lovende for hurtig materialevalg til tekniske applikationer."
Forskere planlægger nu at bruge deres teknik på mange flere 2D-materialer. De vil nu oprette en database over TEC'er.
Journal reference:
- Yang Zhong, lenan Zhang et al. En samlet tilgang og deskriptor til termisk ekspansion af todimensionelle overgangsmetal dichalcogenid monolag. Videnskabelige fremskridt DOI: 10.1126/sciadv.abo3783
