Tvådimensionella (2D) material, bestående av ett enda lager av atomer, används vanligtvis i moderna miniatyriserade enheter. Enhetens funktion kan dock leda till avsevärd temperaturhöjning och termisk stress, vilket kan orsaka fel på enheten.
Ett sådant problem uppstår på grund av en dålig förståelse för hur 2D-material expanderar när temperaturen stiger. Dessa material är tunna och optiskt transparenta, så deras termiska expansionskoefficient (TEC) är nästan omöjliga att mäta med standardmetoder. För att hantera sådana termiska utmaningar är det viktigt att ha en god förståelse för den termiska expansionskoefficienten (TEC).
En ny MIT studie belyser en ny teknik för att exakt mäta hur atomtunna material expanderar när de värms upp. Istället för att direkt mäta hur materialet expanderar använde de laserljus för att spåra vibrationerna från materialets atomer. De mätte noggrant den termiska expansionskoefficienten genom att mäta densamma 2D-material på tre olika ytor eller underlag.
Denna metod är mycket noggrann och ger resultat som matchar teoretiska beräkningar. Tillvägagångssättet bekräftar att TEC för 2D-material faller inom ett mycket snävare område än vad man tidigare trott. Denna information kan hjälpa ingenjörer att designa nästa generations elektronik.
Medförfattare och före detta maskiningenjörsstudent Lenan Zhang SM '18, Ph.D. '22, som nu är forskare, sa, "Genom att bekräfta detta snävare fysiska intervall ger vi ingenjörer mycket materialflexibilitet för att välja bottensubstrat när de designar en enhet. De behöver inte skapa ett nytt bottensubstrat för att mildra termisk stress. Vi tror att detta har viktiga konsekvenser för den elektroniska enheten och förpackningsgemenskapen."
Forskare löste problemet genom att fokusera på atomerna som utgör 2D-materialet. När temperaturen stiger vibrerar dess atomer med en lägre frekvens och rör sig längre ifrån varandra. Detta gör att materialet expanderar.
En teknik som kallas mikro-Raman spektroskopi användes för att mäta dessa vibrationer. Metoden går ut på att man slår materialet med en laser. De vibrerande atomerna sprider laserns ljus, och denna interaktion kan användas för att detektera deras vibrationsfrekvens.
Men atomerna i 2D-materialet förändras i vibration när substratet sträcker sig eller drar ihop sig. För att fokusera på materialets inneboende kvaliteter måste forskarna frikoppla denna substratpåverkan. På tre olika substrat - koppar, som har en hög TEC, smält kiseldioxid, som har en låg TEC; och ett kiselsubstrat med flera mikroskopiska hål – de mätte vibrationsfrekvensen för samma 2D-material. De kan mäta dessa små områden av fristående material eftersom 2D-materialet svävar ovanför hålen på det senare substratet.
Senare placerade forskare varje substrat på ett termiskt steg för att exakt kontrollera temperaturen, värmde varje prov och utförde mikro-Raman-spektroskopi.
Fynden visade också något oväntat: 2D-material föll in i en hierarki baserat på de element som består av dem. Till exempel har ett 2D-material som innehåller molybden alltid en högre TEC än ett som innehåller volfram.
När forskare gräver djupare finner de att denna hierarki är ett resultat av en grundläggande atomegenskap som kallas elektronegativitet.
Yang Zhong, en doktorand i maskinteknik, sa: "De fann att ju större skillnad det är mellan elektronegativiteter för element som bildar ett 2D-material, desto lägre blir materialets termiska expansionskoefficient. En ingenjör skulle kunna använda den här metoden för att snabbt uppskatta TEC för vilket 2D-material som helst, snarare än att förlita sig på komplexa beräkningar som vanligtvis måste krossas av en superdator."
Zhang sade, "En ingenjör kan bara söka i det periodiska systemet, få elektronegativiteten för motsvarande material, koppla in dem i vår korrelationsekvation, och inom en minut kan de få en ganska bra uppskattning av TEC. Detta är mycket lovande för ett snabbt materialval för tekniska tillämpningar."
Forskare planerar nu att använda sin teknik på många fler 2D-material. De vill nu skapa en databas med TEC.
Tidskriftsreferens:
- Yang Zhong, lenan Zhang et al. En enhetlig strategi och deskriptor för termisk expansion av tvådimensionella dikalkogenidmonoskikt av övergångsmetall. Vetenskapliga framsteg. DOI: 10.1126/sciadv.abo3783
