Kaksiulotteisia (2D) materiaaleja, jotka koostuvat yhdestä atomikerroksesta, käytetään yleisesti nykyaikaisissa pienoislaitteissa. Laitteen käyttö voi kuitenkin johtaa huomattavaan lämpötilan nousuun ja lämpörasitukseen, mikä voi aiheuttaa laitevian.
Tällainen ongelma johtuu huonosta ymmärryksestä siitä, kuinka 2D-materiaalit laajenevat lämpötilan noustessa. Nämä materiaalit ovat ohuita ja optisesti läpinäkyviä, joten niiden lämpölaajenemiskerrointa (TEC) on lähes mahdotonta mitata standardimenetelmillä. Tällaisten lämpöhaasteiden ratkaisemiseksi on tärkeää ymmärtää hyvin lämpölaajenemiskerroin (TEC).
Uusi MIT Tutkimus korostaa uutta tekniikkaa, jolla mitataan tarkasti, kuinka atomiohuet materiaalit laajenevat kuumennettaessa. Sen sijaan, että ne mittasivat suoraan, kuinka materiaali laajenee, he käyttivät laservaloa materiaalin atomien värähtelyjen seuraamiseen. He mittasivat tarkasti lämpölaajenemiskertoimen mittaamalla saman 2D materiaalia kolmelle eri pinnalle tai alustalle.
Tämä menetelmä on erittäin tarkka ja tuottaa teoreettisia laskelmia vastaavia tuloksia. Lähestymistapa vahvistaa, että 2D-materiaalien TEC-arvot kuuluvat paljon kapeammalle alueelle kuin aiemmin on ajateltu. Nämä tiedot voivat auttaa insinöörejä suunnittelussa seuraavan sukupolven elektroniikkaa.
Pääkirjailija ja entinen konetekniikan jatko-opiskelija Lenan Zhang SM '18, Ph.D. '22, joka on nykyään tutkija, sanoi, ”Vahvistamalla tämän kapeamman fyysisen alueen annamme insinööreille paljon materiaalijoustavuutta pohjaalustan valinnassa, kun he suunnittelevat laitetta. Niiden ei tarvitse suunnitella uutta pohjasubstraattia lämpörasituksen lieventämiseksi. Uskomme, että tällä on tärkeitä seurauksia elektroniikkalaitteiden ja pakkausten yhteisölle."
Tutkijat ratkaisivat ongelman keskittymällä atomeihin, jotka muodostavat 2D-materiaalin. Lämpötilan noustessa sen atomit värähtelevät alhaisemmalla taajuudella ja siirtyvät kauemmas toisistaan. Tämä saa materiaalin laajenemaan.
Tekniikka ns mikro-Raman-spektroskopia käytettiin näiden värähtelyjen mittaamiseen. Menetelmä käsittää materiaalin lyömisen laserilla. Värähtelevät atomit sirottavat laserin valoa, ja tätä vuorovaikutusta voidaan käyttää niiden värähtelytaajuuden havaitsemiseen.
Kuitenkin 2D-materiaalin atomien värähtely muuttuu substraatin venyessä tai supistuessa. Keskittyäkseen materiaalin luontaisiin ominaisuuksiin tutkijoiden on irrotettava tämä substraatin vaikutus. Kolmella eri alustalla – kupari, jolla on korkea TEC, sulatettu piidioksidi, jolla on alhainen TEC; ja piisubstraatti, jossa oli useita mikroskooppisia reikiä – ne mittasivat saman 2D-materiaalin värähtelytaajuuden. He voivat mitata näitä pieniä vapaasti seisovan materiaalin alueita, koska 2D-materiaali leijuu jälkimmäisen substraatin reikien yläpuolella.
Myöhemmin tutkijat asettivat jokaisen substraatin lämpötasolle säätääkseen tarkasti lämpötilaa, lämmittivät jokaisen näytteen ja suorittivat mikro-Raman-spektroskopian.
Löydökset osoittivat myös jotain odottamatonta: 2D-materiaalit putosivat hierarkiaan niiden muodostavien elementtien perusteella. Esimerkiksi molybdeeniä sisältävällä 2D-materiaalilla on aina suurempi TEC kuin volframia sisältävällä materiaalilla.
Kun tutkijat kaivautuvat syvemmälle, he huomaavat, että tämä hierarkia johtuu perustavanlaatuisesta atomin ominaisuudesta, joka tunnetaan elektronegatiivisuutena.
Yang Zhong, konetekniikan jatko-opiskelija, sanoi: ”He havaitsivat, että mitä suurempi ero 2D-materiaalin muodostavien elementtien elektronegatiivisuuksien välillä on, sitä pienempi materiaalin lämpölaajenemiskerroin on. Insinööri voisi käyttää tätä menetelmää arvioidakseen nopeasti minkä tahansa 2D-materiaalin TEC-arvon sen sijaan, että luottaisi monimutkaisiin laskelmiin, jotka tyypillisesti supertietokoneen täytyy murskata."
Zhang sanoi, "Insinööri voi vain etsiä jaksollisesta taulukosta, saada vastaavien materiaalien elektronegatiivisuudet, liittää ne korrelaatioyhtälöihimme, ja minuutissa heillä voi olla kohtuullisen hyvä arvio TEC:stä. Tämä on erittäin lupaava nopealle materiaalivalinnalle suunnittelusovelluksiin."
Tiedemiehet aikovat nyt käyttää tekniikkaansa moniin muihin 2D-materiaaleihin. He haluavat nyt luoda tietokannan TEC:istä.
Päiväkirjan viite:
- Yang Zhong, lenan Zhang et ai. Yhtenäinen lähestymistapa ja kuvaaja kaksiulotteisten siirtymämetallidikalkogenidi-yksikerrosten lämpölaajenemiseen. Tieteen kehitys DOI: 10.1126/sciadv.abo3783
