חומרים דו מימדיים (2D), המורכבים משכבה אחת של אטומים, משמשים בדרך כלל במכשירים ממוזערים מודרניים. עם זאת, פעולת המכשיר עלולה להוביל לעליית טמפרטורה משמעותית וללחץ תרמי, ולגרום לכשל בהתקן.
בעיה כזו מתרחשת עקב הבנה לקויה של האופן שבו חומרים דו-ממדיים מתרחבים כאשר הטמפרטורות עולות. חומרים אלה דקים ושקופים אופטית, כך שכמעט בלתי אפשרי למדוד את מקדם ההתפשטות התרמית (TEC) באמצעות גישות סטנדרטיות. כדי להתמודד עם אתגרים תרמיים כאלה, חיוני להיות בעל הבנה טובה של מקדם ההתפשטות התרמית (TEC).
חדש MIT המחקר מדגיש טכניקה חדשה למדידה מדויקת כיצד חומרים דקים באטום מתרחבים בעת חימום. במקום למדוד ישירות כיצד החומר מתרחב, הם השתמשו באור לייזר כדי לעקוב אחר תנודות האטומים של החומר. הם מדדו במדויק את מקדם ההתפשטות התרמית על ידי מדידת אותו חומר דו מימדי על שלושה משטחים או מצעים שונים.
שיטה זו מדויקת ביותר, ומשיגה תוצאות התואמות לחישובים תיאורטיים. הגישה מאשרת שה-TEC של חומרים דו-ממדיים נופלים לטווח צר בהרבה ממה שחשבו בעבר. מידע זה יכול לעזור למהנדסים לתכנן האלקטרוניקה מהדור הבא.
סופרת מובילה וסטודנטית לשעבר להנדסת מכונות, Lenan Zhang SM '18, Ph.D. '22, שהוא כיום מדען מחקר, אמר, "על ידי אישור הטווח הפיזי המצומצם הזה, אנו נותנים למהנדסים גמישות רבה בחומר לבחירת המצע התחתון כאשר הם מתכננים מכשיר. הם לא צריכים להמציא מצע תחתון חדש כדי להפחית מתח תרמי. אנו מאמינים שיש לכך השלכות חשובות על קהילת המכשירים האלקטרוניים והאריזה".
מדענים פתרו את הבעיה על ידי התמקדות באטומים המרכיבים את החומר הדו-ממדי. כשהטמפרטורה עולה, האטומים שלו רוטטים בתדירות נמוכה יותר ומתרחקים זה מזה. זה גורם לחומר להתרחב.
טכניקה שנקראת ספקטרוסקופיה מיקרו-ראמאן שימש למדידת רעידות אלו. השיטה כוללת פגיעה בחומר בלייזר. האטומים הרוטטים מפזרים את אור הלייזר, וניתן להשתמש באינטראקציה הזו כדי לזהות את תדר הרטט שלהם.
עם זאת, האטומים של החומר הדו-ממדי משתנים ברטט כאשר המצע נמתח או מתכווץ. כדי להתמקד באיכויות המהותיות של החומר, נדרשים המדענים לנתק את ההשפעה של המצע הזה. על שלושה מצעים שונים - נחושת, בעלת TEC גבוה, סיליקה מתמזגת, בעלת TEC נמוך; ומצע סיליקון עם מספר חורים מיקרוסקופיים - הם מדדו את תדר הרטט של אותו חומר דו-ממדי. הם יכולים למדוד את האזורים הזעירים האלה של חומר עצמאי מכיוון שהחומר הדו-ממדי מרחף מעל החורים על המצע האחרון.
מאוחר יותר, מדענים הניחו כל מצע על במה תרמית כדי לשלוט במדויק על הטמפרטורה, חיממו כל דגימה וביצעו ספקטרוסקופיה מיקרו-ראמאן.
הממצאים גם הראו משהו לא צפוי: חומרים דו-ממדיים נפלו בהיררכיה המבוססת על האלמנטים המרכיבים אותם. לדוגמה, לחומר דו-ממדי המכיל מוליבדן יש תמיד TEC גדול יותר מאשר לחומר המכיל טונגסטן.
כאשר מדענים חופרים לעומק, הם מגלים שההיררכיה הזו נובעת מתכונה אטומית בסיסית המכונה אלקטרושליליות.
יאנג ז'ונג, סטודנט לתואר שני בהנדסת מכונות, אמר, "הם גילו שככל שההבדל בין האלקטרושליליות של אלמנטים היוצרים חומר דו-ממדי גדול יותר, כך מקדם ההתפשטות התרמית של החומר יהיה נמוך יותר. מהנדס יכול להשתמש בשיטה זו כדי להעריך במהירות את ה-TEC עבור כל חומר דו-ממדי, במקום להסתמך על חישובים מורכבים שבדרך כלל חייבים לנתח על ידי מחשב-על."
ג'אנג אמר, "מהנדס יכול פשוט לחפש בטבלה המחזורית, לקבל את האלקטרושליליות של החומרים התואמים, לחבר אותם למשוואת המתאם שלנו, ותוך דקה, הם יכולים לקבל הערכה טובה למדי של ה-TEC. זה מבטיח מאוד לבחירת חומרים מהירה ליישומים הנדסיים."
מדענים מתכננים כעת להשתמש בטכניקה שלהם על חומרים דו-ממדיים רבים נוספים. כעת הם רוצים ליצור מסד נתונים של TECs.
עיון ביומן:
- Yang Zhong, lenan Zhang et al. גישה ותאור מאוחדים להתרחבות תרמית של מתכת מעבר דו מימדית דיכאלקוגניד מונו-שכבות. התקדמות מדעית DOI: 10.1126/sciadv.abo3783
