W nowoczesnych zminiaturyzowanych urządzeniach powszechnie stosuje się materiały dwuwymiarowe (2D), składające się z pojedynczej warstwy atomów. Jednak działanie urządzenia może prowadzić do znacznego wzrostu temperatury i naprężeń termicznych, powodując awarię urządzenia.
Taki problem pojawia się z powodu słabego zrozumienia sposobu rozszerzania się materiałów 2D wraz ze wzrostem temperatury. Materiały te są cienkie i optycznie przezroczyste, więc ich współczynnik rozszerzalności cieplnej (TEC) jest prawie niemożliwy do zmierzenia przy użyciu standardowych metod. Aby sprostać takim wyzwaniom termicznym, niezbędna jest dobra znajomość współczynnika rozszerzalności cieplnej (TEC).
nowa MIT badanie podkreśla nową technikę precyzyjnego pomiaru rozszerzalności materiałów cienkich jak atomy po podgrzaniu. Zamiast bezpośrednio mierzyć rozszerzanie się materiału, wykorzystali światło lasera do śledzenia wibracji atomów materiału. Dokładnie zmierzyli współczynnik rozszerzalności cieplnej, mierząc go Materiał 2D na trzech różnych powierzchniach lub podłożach.
Metoda ta jest bardzo dokładna i umożliwia uzyskanie wyników zgodnych z obliczeniami teoretycznymi. Podejście to potwierdza, że współczynniki TEC materiałów 2D mieszczą się w znacznie węższym zakresie, niż wcześniej sądzono. Informacje te mogą pomóc inżynierom w projektowaniu elektronikę nowej generacji.
Współautor i były absolwent inżynierii mechanicznej Lenan Zhang SM '18, Ph.D. '22, który obecnie jest pracownikiem naukowym, powiedział: „Potwierdzając ten węższy zakres fizyczny, dajemy inżynierom dużą elastyczność materiałową przy wyborze podłoża dolnego podczas projektowania urządzenia. Nie muszą opracowywać nowego podłoża dolnego, aby złagodzić naprężenia termiczne. Uważamy, że ma to ważne implikacje dla społeczności zajmującej się urządzeniami elektronicznymi i opakowaniami.
Naukowcy rozwiązali problem, skupiając się na atomach tworzących materiał 2D. Wraz ze wzrostem temperatury jego atomy wibrują z niższą częstotliwością i oddalają się od siebie. Powoduje to rozszerzanie się materiału.
Technika zwana mikrospektroskopia Ramana do pomiaru tych wibracji. Metoda polega na uderzaniu materiału laserem. Wibrujące atomy rozpraszają światło lasera, a interakcję tę można wykorzystać do wykrycia częstotliwości ich wibracji.
Jednakże atomy materiału 2D zmieniają wibracje w miarę rozciągania lub kurczenia się podłoża. Aby skoncentrować się na nieodłącznych właściwościach materiału, naukowcy muszą oddzielić wpływ podłoża. Na trzech różnych podłożach – miedź, która ma wysoki współczynnik TEC, topioną krzemionkę, która ma niski współczynnik TEC; oraz podłoże krzemowe z kilkoma mikroskopijnymi otworami – zmierzyli częstotliwość drgań tego samego materiału 2D. Mogą mierzyć te maleńkie obszary wolnostojącego materiału, ponieważ materiał 2D unosi się nad otworami w tym drugim podłożu.
Później naukowcy umieścili każde podłoże na stoliku termicznym, aby precyzyjnie kontrolować temperaturę, podgrzali każdą próbkę i przeprowadzili mikrospektroskopię Ramana.
Odkrycia pokazały również coś nieoczekiwanego: materiały 2D zostały ułożone w hierarchię opartą na elementach, które je tworzą. Na przykład materiał 2D zawierający molibden zawsze ma większy współczynnik TEC niż materiał zawierający wolfram.
Kiedy naukowcy sięgają głębiej, odkrywają, że ta hierarchia wynika z podstawowej właściwości atomu znanej jako elektroujemność.
Yang Zhong, absolwent inżynierii mechanicznej, powiedział: „Odkryli, że im większa różnica elektroujemności pierwiastków tworzących materiał 2D, tym niższy będzie współczynnik rozszerzalności cieplnej materiału. Inżynier mógłby zastosować tę metodę, aby szybko oszacować TEC dowolnego materiału 2D, zamiast polegać na skomplikowanych obliczeniach, które zwykle muszą być przetwarzane przez superkomputer”.
Zhang powiedziany, „Inżynier może po prostu przeszukać układ okresowy, uzyskać elektroujemności odpowiednich materiałów, podłączyć je do naszego równania korelacji i w ciągu minuty będzie w stanie uzyskać w miarę dobre oszacowanie TEC. Jest to bardzo obiecujące w kontekście szybkiego doboru materiałów do zastosowań inżynieryjnych.”
Naukowcy planują obecnie zastosować swoją technikę w znacznie większej liczbie materiałów 2D. Teraz chcą stworzyć bazę danych TEC.
Numer referencyjny czasopisma:
- Yang Zhong, Lenan Zhang i in. Ujednolicone podejście i deskryptor rozszerzalności cieplnej dwuwymiarowych monowarstw dichalkogenku metalu przejściowego. Postępy w nauce. DOI: 10.1126/sciadv.abo3783
