Bahan dua dimensi (2D), yang terdiri dari satu lapisan atom, umumnya digunakan dalam perangkat miniatur modern. Namun, pengoperasian perangkat dapat menyebabkan kenaikan suhu dan tekanan termal yang signifikan, sehingga menyebabkan kegagalan perangkat.
Masalah seperti ini terjadi karena kurangnya pemahaman tentang bagaimana material 2D memuai ketika suhu naik. Bahan-bahan ini tipis dan transparan secara optik, sehingga koefisien ekspansi termal (TEC) hampir tidak mungkin diukur menggunakan pendekatan standar. Untuk mengatasi tantangan termal tersebut, penting untuk memiliki pemahaman yang baik tentang koefisien ekspansi termal (TEC).
Sebuah baru MIT Studi ini menyoroti teknik baru untuk secara tepat mengukur bagaimana bahan setipis atom memuai ketika dipanaskan. Alih-alih mengukur secara langsung bagaimana material mengembang, mereka menggunakan sinar laser untuk melacak getaran atom material. Mereka secara akurat mengukur koefisien ekspansi termal dengan mengukur hal yang sama materi 2D pada tiga permukaan atau substrat yang berbeda.
Metode ini sangat akurat, mencapai hasil yang sesuai dengan perhitungan teoritis. Pendekatan ini menegaskan bahwa TEC material 2D berada dalam kisaran yang jauh lebih sempit daripada yang diperkirakan sebelumnya. Informasi ini dapat membantu para insinyur merancang elektronik generasi berikutnya.
Rekan penulis utama dan mantan mahasiswa pascasarjana teknik mesin Lenan Zhang SM '18, Ph.D. '22, yang kini menjadi ilmuwan riset, berkata, “Dengan memastikan rentang fisik yang lebih sempit ini, kami memberikan banyak fleksibilitas material kepada para insinyur untuk memilih substrat bawah saat mereka merancang sebuah perangkat. Mereka tidak perlu merancang substrat dasar baru untuk mengurangi tekanan panas. Kami yakin hal ini memiliki implikasi penting bagi komunitas perangkat elektronik dan pengemasan.”
Para ilmuwan memecahkan masalah ini dengan memusatkan perhatian pada atom-atom yang menyusun materi 2D. Ketika suhu naik, atom-atomnya bergetar pada frekuensi yang lebih rendah dan menjauh. Hal ini menyebabkan material mengembang.
Sebuah teknik yang disebut spektroskopi mikro-Raman digunakan untuk mengukur getaran ini. Metodenya melibatkan pemukulan terhadap material dengan laser. Atom yang bergetar menyebarkan cahaya laser, dan interaksi ini dapat digunakan untuk mendeteksi frekuensi getarannya.
Namun, atom-atom material 2D berubah getarannya seiring dengan peregangan atau kontraksi substrat. Untuk fokus pada kualitas intrinsik material, para ilmuwan diharuskan memisahkan dampak substrat ini. Pada tiga substrat berbeda—tembaga, yang memiliki TEC tinggi, silika leburan, yang memiliki TEC rendah; dan substrat silikon dengan beberapa lubang mikroskopis—mereka mengukur frekuensi getaran material 2D yang sama. Mereka dapat mengukur area kecil dari material yang berdiri bebas ini karena material 2D melayang di atas lubang pada substrat terakhir.
Kemudian, para ilmuwan menempatkan setiap substrat pada tahap termal untuk mengontrol suhu secara tepat, memanaskan setiap sampel, dan melakukan spektroskopi mikro-Raman.
Temuan ini juga menunjukkan sesuatu yang tidak terduga: materi 2D masuk ke dalam hierarki berdasarkan elemen penyusunnya. Misalnya, material 2D yang mengandung molibdenum selalu memiliki TEC lebih besar dibandingkan material yang mengandung tungsten.
Ketika para ilmuwan menggali lebih dalam, mereka menemukan bahwa hierarki ini dihasilkan dari sifat dasar atom yang dikenal sebagai elektronegativitas.
Yang Zhong, seorang mahasiswa pascasarjana di bidang teknik mesin, berkata, “Mereka menemukan bahwa semakin besar perbedaan keelektronegatifan unsur-unsur yang membentuk material 2D, semakin rendah koefisien muai panas material tersebut. Seorang insinyur dapat menggunakan metode ini untuk memperkirakan TEC dengan cepat untuk material 2D apa pun, daripada mengandalkan perhitungan rumit yang biasanya harus dilakukan oleh superkomputer.”
Zhang tersebut, “Seorang insinyur cukup menelusuri tabel periodik, mendapatkan keelektronegatifan bahan terkait, memasukkannya ke dalam persamaan korelasi kita, dan dalam satu menit, mereka dapat memperkirakan TEC dengan cukup baik. Hal ini sangat menjanjikan untuk pemilihan material yang cepat untuk aplikasi teknik.”
Para ilmuwan sekarang berencana untuk menggunakan teknik mereka pada lebih banyak material 2D. Mereka sekarang ingin membuat database TEC.
Referensi jurnal:
- Yang Zhong, lenan Zhang dkk. Pendekatan dan deskriptor terpadu untuk ekspansi termal lapisan tunggal dichalcogenide logam transisi dua dimensi. Kemajuan Sains. DOI: 10.1126/sciadv.abo3783
