Todimensjonale (2D) materialer, bestående av et enkelt lag med atomer, brukes vanligvis i moderne miniatyriserte enheter. Enhetens drift kan imidlertid føre til betydelig temperaturøkning og termisk stress, noe som kan forårsake feil på enheten.
Et slikt problem oppstår på grunn av en dårlig forståelse av hvordan 2D-materialer utvider seg når temperaturen stiger. Disse materialene er tynne og optisk transparente, så deres termiske ekspansjonskoeffisient (TEC) er nesten umulig å måle ved bruk av standardmetoder. For å møte slike termiske utfordringer er det viktig å ha en god forståelse av den termiske ekspansjonskoeffisienten (TEC).
En ny MIT studien fremhever en ny teknikk for nøyaktig å måle hvordan atomtynne materialer utvider seg når de varmes opp. I stedet for direkte å måle hvordan materialet utvider seg, brukte de laserlys for å spore vibrasjonene til materialets atomer. De målte nøyaktig den termiske ekspansjonskoeffisienten ved å måle den samme 2D materiale på tre forskjellige overflater eller underlag.
Denne metoden er svært nøyaktig, og oppnår resultater som samsvarer med teoretiske beregninger. Tilnærmingen bekrefter at TEC-ene til 2D-materialer faller inn i et mye smalere område enn tidligere antatt. Denne informasjonen kan hjelpe ingeniører med å designe neste generasjons elektronikk.
Medforfatter og tidligere maskiningeniørstudent Lenan Zhang SM ’18, Ph.D. ’22, som nå er forsker, sa: "Ved å bekrefte dette smalere fysiske området, gir vi ingeniører mye materialfleksibilitet når de skal velge bunnsubstrat når de designer en enhet. De trenger ikke å lage et nytt bunnsubstrat for å redusere termisk stress. Vi tror dette har viktige implikasjoner for det elektroniske utstyret og emballasjesamfunnet.»
Forskere løste problemet ved å fokusere på atomene som utgjør 2D-materialet. Når temperaturen stiger, vibrerer atomene med en lavere frekvens og beveger seg lenger fra hverandre. Dette får materialet til å utvide seg.
En teknikk som heter mikro-Raman spektroskopi ble brukt til å måle disse vibrasjonene. Metoden går ut på å treffe materialet med laser. De vibrerende atomene sprer laserens lys, og denne interaksjonen kan brukes til å oppdage deres vibrasjonsfrekvens.
Imidlertid endrer atomene i 2D-materialet seg i vibrasjon når underlaget strekker seg eller trekker seg sammen. For å fokusere på materialets iboende kvaliteter, er forskerne pålagt å koble fra denne substratpåvirkningen. På tre forskjellige substrater - kobber, som har høy TEC, smeltet silika, som har lav TEC; og et silisiumsubstrat med flere mikroskopiske hull - de målte vibrasjonsfrekvensen til det samme 2D-materialet. De kan måle disse bittesmå områdene av frittstående materiale fordi 2D-materialet svever over hullene på sistnevnte underlag.
Senere plasserte forskere hvert substrat på en termisk scene for å kontrollere temperaturen nøyaktig, varmet opp hver prøve og utførte mikro-Raman-spektroskopi.
Funnene viste også noe uventet: 2D-materialer falt inn i et hierarki basert på elementene som utgjør dem. For eksempel har et 2D-materiale som inneholder molybden alltid en større TEC enn et som inneholder wolfram.
Når forskere graver dypere, finner de at dette hierarkiet er et resultat av en grunnleggende atomegenskap kjent som elektronegativitet.
Yang Zhong, en doktorgradsstudent i maskinteknikk, sa: "De fant at jo større forskjellen er mellom elektronegativiteten til elementer som danner et 2D-materiale, desto lavere vil materialets termiske ekspansjonskoeffisient være. En ingeniør kan bruke denne metoden for raskt å estimere TEC for ethvert 2D-materiale, i stedet for å stole på komplekse beregninger som vanligvis må knuses av en superdatamaskin."
Zhang sa, "En ingeniør kan bare søke i det periodiske systemet, finne elektronegativiteten til de tilsvarende materialene, koble dem inn i vår korrelasjonsligning, og i løpet av et minutt kan de få et rimelig godt estimat av TEC. Dette er veldig lovende for raskt materialvalg for ingeniørapplikasjoner."
Forskere planlegger nå å bruke teknikken deres på mange flere 2D-materialer. De ønsker nå å lage en database med TEC-er.
Journal referanse:
- Yang Zhong, lenan Zhang et al. En enhetlig tilnærming og deskriptor for termisk utvidelse av todimensjonale overgangsmetall dikalkogenid monolag. Science Advances DOI: 10.1126/sciadv.abo3783
