द्वि-आयामी (2डी) सामग्री, जिसमें परमाणुओं की एक परत शामिल होती है, आमतौर पर आधुनिक लघु उपकरणों में उपयोग की जाती है। हालाँकि, डिवाइस के संचालन से तापमान में पर्याप्त वृद्धि और थर्मल तनाव हो सकता है, जिससे डिवाइस विफल हो सकता है।
तापमान बढ़ने पर 2डी सामग्री कैसे फैलती है, इसकी खराब समझ के कारण ऐसी समस्या उत्पन्न होती है। ये सामग्रियां पतली और ऑप्टिकली पारदर्शी हैं, इसलिए मानक तरीकों का उपयोग करके उनके थर्मल विस्तार गुणांक (टीईसी) को मापना लगभग असंभव है। ऐसी थर्मल चुनौतियों से निपटने के लिए, थर्मल विस्तार गुणांक (टीईसी) की अच्छी समझ होना आवश्यक है।
एक नया एमआईटी अध्ययन सटीक रूप से मापने के लिए एक नई तकनीक पर प्रकाश डालता है कि गर्म होने पर परमाणु-पतली सामग्री कैसे फैलती है। सामग्री कैसे फैलती है इसे सीधे मापने के बजाय, उन्होंने सामग्री के परमाणुओं के कंपन को ट्रैक करने के लिए लेजर प्रकाश का उपयोग किया। उन्होंने थर्मल विस्तार गुणांक को सटीक रूप से मापकर मापा 2डी सामग्री तीन अलग-अलग सतहों या सबस्ट्रेट्स पर।
यह विधि अत्यधिक सटीक है, सैद्धांतिक गणनाओं से मेल खाने वाले परिणाम प्राप्त करती है। दृष्टिकोण पुष्टि करता है कि 2डी सामग्रियों के टीईसी पहले की तुलना में बहुत संकीर्ण सीमा में आते हैं। यह जानकारी इंजीनियरों को डिज़ाइन बनाने में मदद कर सकती है अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक्स.
सह-मुख्य लेखक और पूर्व मैकेनिकल इंजीनियरिंग स्नातक छात्र लेनन झांग एसएम '18, पीएच.डी. '22, जो अब एक शोध वैज्ञानिक हैं, ने कहा, “इस संकीर्ण भौतिक सीमा की पुष्टि करके, हम इंजीनियरों को डिवाइस डिज़ाइन करते समय निचले सब्सट्रेट को चुनने के लिए बहुत अधिक सामग्री लचीलापन देते हैं। उन्हें थर्मल तनाव को कम करने के लिए एक नया निचला सब्सट्रेट तैयार करने की आवश्यकता नहीं है। हमारा मानना है कि इसका इलेक्ट्रॉनिक उपकरण और पैकेजिंग समुदाय पर महत्वपूर्ण प्रभाव है।"
वैज्ञानिकों ने 2डी सामग्री बनाने वाले परमाणुओं पर ध्यान केंद्रित करके समस्या का समाधान किया। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, इसके परमाणु कम आवृत्ति पर कंपन करते हैं और दूर दूर चले जाते हैं। इससे सामग्री का विस्तार होता है।
एक तकनीक जिसे कहा जाता है माइक्रो-रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी इन कंपनों को मापने के लिए उपयोग किया गया था। इस विधि में सामग्री को लेजर से मारना शामिल है। कंपन करने वाले परमाणु लेजर के प्रकाश को बिखेरते हैं, और इस इंटरैक्शन का उपयोग उनकी कंपन आवृत्ति का पता लगाने के लिए किया जा सकता है।
हालाँकि, सब्सट्रेट के खिंचने या सिकुड़ने पर 2डी सामग्री के परमाणु कंपन में बदल जाते हैं। सामग्री के आंतरिक गुणों पर ध्यान केंद्रित करने के लिए, वैज्ञानिकों को इस सब्सट्रेट प्रभाव को अलग करना आवश्यक है। तीन अलग-अलग सबस्ट्रेट्स पर - तांबा, जिसमें उच्च टीईसी होता है, फ़्यूज्ड सिलिका, जिसमें कम टीईसी होता है; और कई सूक्ष्म छिद्रों वाला एक सिलिकॉन सब्सट्रेट - उन्होंने उसी 2डी सामग्री की कंपन आवृत्ति को मापा। वे फ्रीस्टैंडिंग सामग्री के इन छोटे क्षेत्रों को माप सकते हैं क्योंकि 2डी सामग्री बाद वाले सब्सट्रेट पर छेद के ऊपर मंडराती है।
बाद में, वैज्ञानिकों ने तापमान को सटीक रूप से नियंत्रित करने के लिए प्रत्येक सब्सट्रेट को थर्मल स्टेज पर रखा, प्रत्येक नमूने को गर्म किया और माइक्रो-रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी की।
निष्कर्षों ने कुछ अप्रत्याशित भी दिखाया: 2डी सामग्रियां उन तत्वों के आधार पर एक पदानुक्रम में गिर गईं जिनमें वे शामिल हैं। उदाहरण के लिए, एक 2डी सामग्री जिसमें मोलिब्डेनम होता है, उसमें हमेशा उस सामग्री की तुलना में अधिक टीईसी होती है जिसमें टंगस्टन होता है।
जब वैज्ञानिक गहराई से खोज करते हैं, तो उन्हें पता चलता है कि यह पदानुक्रम एक मौलिक परमाणु गुण से उत्पन्न होता है जिसे इलेक्ट्रोनगेटिविटी के रूप में जाना जाता है।
मैकेनिकल इंजीनियरिंग में स्नातक छात्र यांग झोंग ने कहा, “उन्होंने पाया कि 2डी सामग्री बनाने वाले तत्वों की इलेक्ट्रोनगेटिविटी के बीच अंतर जितना बड़ा होगा, सामग्री का थर्मल विस्तार गुणांक उतना ही कम होगा। एक इंजीनियर किसी भी 2डी सामग्री के लिए टीईसी का त्वरित अनुमान लगाने के लिए इस पद्धति का उपयोग कर सकता है, बजाय जटिल गणनाओं पर निर्भर रहने के, जिन्हें आमतौर पर एक सुपर कंप्यूटर द्वारा क्रंच किया जाना चाहिए।
जांग कहा, “एक इंजीनियर केवल आवर्त सारणी खोज सकता है, संबंधित सामग्रियों की इलेक्ट्रोनगेटिविटी प्राप्त कर सकता है, उन्हें हमारे सहसंबंध समीकरण में प्लग कर सकता है, और एक मिनट के भीतर, वे टीईसी का काफी अच्छा अनुमान लगा सकते हैं। इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों के लिए त्वरित सामग्री चयन के लिए यह बहुत आशाजनक है।"
वैज्ञानिक अब अपनी तकनीक का उपयोग कई और 2डी सामग्रियों पर करने की योजना बना रहे हैं। वे अब टीईसी का एक डेटाबेस बनाना चाहते हैं।
जर्नल संदर्भ:
- यांग झोंग, लेनन झांग और अन्य। द्वि-आयामी संक्रमण धातु डाइक्लोजेनाइड मोनोलेयर्स के थर्मल विस्तार के लिए एक एकीकृत दृष्टिकोण और विवरणक। साइंस एडवांस डीओआई: 10.1126/sciadv.abo3783
