Los materiales bidimensionales (2D), que consisten en una sola capa de átomos, se utilizan generalmente en dispositivos miniaturizados modernos. Sin embargo, el funcionamiento del dispositivo puede provocar un aumento sustancial de la temperatura y estrés térmico, provocando fallos en el dispositivo.
Este problema se debe a una mala comprensión de cómo se expanden los materiales 2D cuando aumentan las temperaturas. Estos materiales son delgados y ópticamente transparentes, por lo que su coeficiente de expansión térmica (TEC) es casi imposible de medir utilizando enfoques estándar. Para abordar estos desafíos térmicos, es esencial tener una buena comprensión del coeficiente de expansión térmica (TEC).
Una nueva encuesta MIT Un estudio destaca una nueva técnica para medir con precisión cómo se expanden los materiales delgados como un átomo cuando se calientan. En lugar de medir directamente cómo se expande el material, utilizaron luz láser para rastrear las vibraciones de los átomos del material. Midieron con precisión el coeficiente de expansión térmica midiendo el mismo material 2D sobre tres superficies o sustratos diferentes.
Este método es muy preciso y logra resultados que coinciden con los cálculos teóricos. El enfoque confirma que los TEC de los materiales 2D se encuentran en un rango mucho más estrecho de lo que se pensaba anteriormente. Esta información podría ayudar a los ingenieros a diseñar electrónica de última generación.
Coautor principal y ex estudiante graduado en ingeniería mecánica Lenan Zhang SM '18, Ph.D. '22, que ahora es un científico investigador, dijo: “Al confirmar este rango físico más estrecho, brindamos a los ingenieros mucha flexibilidad de materiales para elegir el sustrato inferior cuando diseñan un dispositivo. No necesitan idear un nuevo sustrato inferior para mitigar el estrés térmico. Creemos que esto tiene implicaciones importantes para la comunidad de embalajes y dispositivos electrónicos”.
Los científicos resolvieron el problema centrándose en los átomos que forman el material 2D. A medida que aumenta la temperatura, sus átomos vibran a una frecuencia más baja y se separan más. Esto hace que el material se expanda.
Una técnica llamada espectroscopia micro-Raman Se utilizó para medir estas vibraciones. El método consiste en golpear el material con un láser. Los átomos que vibran dispersan la luz del láser y esta interacción se puede utilizar para detectar su frecuencia de vibración.
Sin embargo, los átomos del material 2D cambian de vibración a medida que el sustrato se estira o contrae. Para centrarse en las cualidades intrínsecas del material, los científicos deben desacoplar este impacto del sustrato. En tres sustratos diferentes: cobre, que tiene un TEC alto, sílice fundida, que tiene un TEC bajo; y un sustrato de silicio con varios agujeros microscópicos: midieron la frecuencia de vibración del mismo material 2D. Pueden medir estas pequeñas regiones de material independiente porque el material 2D flota sobre los agujeros en este último sustrato.
Posteriormente, los científicos colocaron cada sustrato en un escenario térmico para controlar con precisión la temperatura, calentaron cada muestra y realizaron espectroscopia micro-Raman.
Los hallazgos también mostraron algo inesperado: los materiales 2D se jerarquizaban según los elementos que los componen. Por ejemplo, un material 2D que contiene molibdeno siempre tiene un TEC mayor que uno que contiene tungsteno.
Cuando los científicos profundizan más, descubren que esta jerarquía es el resultado de una propiedad atómica fundamental conocida como electronegatividad.
Yang Zhong, un estudiante de posgrado en ingeniería mecánica, dijo: “Descubrieron que cuanto mayor sea la diferencia entre las electronegatividades de los elementos que forman un material 2D, menor será el coeficiente de expansión térmica del material. Un ingeniero podría utilizar este método para estimar rápidamente el TEC de cualquier material 2D, en lugar de depender de cálculos complejos que normalmente deben ser procesados por una supercomputadora”.
Zhang dijo, “Un ingeniero puede simplemente buscar en la tabla periódica, obtener las electronegatividades de los materiales correspondientes, conectarlas a nuestra ecuación de correlación y, en un minuto, puede tener una estimación razonablemente buena del TEC. Esto es muy prometedor para la selección rápida de materiales para aplicaciones de ingeniería”.
Los científicos ahora planean utilizar su técnica en muchos más materiales 2D. Ahora quieren crear una base de datos de TEC.
Referencia del diario:
- Yang Zhong, Lenan Zhang et al. Un enfoque unificado y un descriptor para la expansión térmica de monocapas bidimensionales de dicalcogenuro de metales de transición. Avances de la ciencia. DOI: 10.1126/sciadv.abo3783
