Новая методика точно измеряет, как 2D-материалы расширяются при нагревании

Прочитано: 77 раз(а)


Двумерные материалы, состоящие всего из одного слоя атомов, могут быть упакованы вместе более плотно, чем обычные материалы, поэтому их можно использовать для изготовления транзисторов, солнечных элементов, светодиодов и других устройств, которые работают быстрее и работают лучше.

Одной из проблем, сдерживающих эту электронику следующего поколения, является тепло, которое они выделяют при использовании. Обычная электроника обычно достигает температуры около 80 градусов по Цельсию, но материалы в 2D-устройствах упакованы так плотно на такой небольшой площади, что устройства могут нагреваться в два раза больше. Повышение температуры может повредить устройство.

Эта проблема усугубляется тем фактом, что ученые плохо понимают, как двумерные материалы расширяются при повышении температуры. Поскольку материалы очень тонкие и оптически прозрачные, их коэффициент теплового расширения (КТР) — склонность материала к расширению при повышении температуры — почти невозможно измерить стандартными методами.

«Когда люди измеряют коэффициент теплового расширения какого-либо сыпучего материала , они используют научную линейку или микроскоп, потому что с сыпучим материалом у вас есть чувствительность, чтобы измерить его. Проблема с 2D-материалом заключается в том, что мы не можем их реально увидеть, поэтому нам нужно обратиться к другому типу линейки для измерения TEC», — говорит Ян Чжун, аспирант машиностроения .

Чжун является соавтором исследовательской работы, в которой демонстрируется именно такая «линейка». Вместо того, чтобы напрямую измерять расширение материала, они используют лазерный свет для отслеживания колебаний атомов, из которых состоит материал. Выполнение измерений одного двухмерного материала на трех разных поверхностях или подложках позволяет им точно определить его коэффициент теплового расширения.

Новое исследование показывает, что этот метод очень точен и дает результаты, соответствующие теоретическим расчетам. Подход подтверждает, что КТР двумерных материалов попадают в гораздо более узкий диапазон, чем считалось ранее. Эта информация может помочь инженерам в разработке электроники следующего поколения.

«Подтверждая этот более узкий физический диапазон, мы даем инженерам большую свободу выбора материала для выбора нижней подложки при проектировании устройства. Им не нужно разрабатывать новую нижнюю подложку только для смягчения теплового напряжения. Мы считаем, что это очень важно. важные последствия для сообщества электронных устройств и упаковки», — говорит соавтор и бывший аспирант машиностроения Ленан Чжан С.М. ’18, доктор философии. 22 года, сейчас научный сотрудник.

В число соавторов входят старший автор Эвелин Н. Ван, профессор инженерии Форда и глава факультета машиностроения Массачусетского технологического института, а также другие сотрудники факультета электротехники и компьютерных наук Массачусетского технологического института и факультета машиностроения и энергетики Университета Южный университет науки и технологий в Шэньчжэне, Китай. Исследование опубликовано в Science Advances.

Измерение вибрации

Поскольку 2D-материалы очень малы — возможно, всего несколько микрон, — стандартные инструменты недостаточно чувствительны, чтобы напрямую измерить их расширение. Кроме того, материалы настолько тонкие, что их необходимо приклеивать к подложке, такой как кремний или медь. Если 2D-материал и его подложка имеют разные КТР, они будут по-разному расширяться при повышении температуры, что вызывает термическое напряжение.

Например, если 2D-материал приклеен к подложке с более высоким КТР, при нагревании устройства подложка будет расширяться больше, чем 2D-материал, что приведет к его растяжению. Это затрудняет измерение фактического КТР двумерного материала, поскольку подложка влияет на его расширение.

Исследователи преодолели эти проблемы, сосредоточившись на атомах, составляющих двумерный материал. Когда материал нагревается, его атомы вибрируют с более низкой частотой и удаляются друг от друга, что приводит к расширению материала. Они измеряют эти вибрации с помощью метода, называемого микрорамановской спектроскопией, который включает воздействие на материал лазером. Вибрирующие атомы рассеивают свет лазера, и это взаимодействие можно использовать для определения частоты их колебаний.

Но когда подложка расширяется или сжимается, это влияет на вибрацию атомов двумерного материала. Исследователям нужно было отделить этот эффект подложки, чтобы сосредоточиться на внутренних свойствах материала. Они сделали это, измерив частоту колебаний одного и того же двумерного материала на трех разных подложках: медь, имеющая высокий коэффициент теплового преобразования; плавленый кварц с низким КТР; и кремниевая подложка, усеянная крошечными отверстиями. Поскольку 2D-материал парит над отверстиями на последней подложке, они могут выполнять измерения на этих крошечных участках отдельно стоящего материала.

Затем исследователи поместили каждую подложку на термостол для точного контроля температуры, нагрели каждый образец и провели микро-рамановскую спектроскопию.

«Выполняя измерения комбинационного рассеяния на трех образцах, мы можем извлечь то, что называется температурным коэффициентом, который зависит от подложки. Используя эти три разных подложки и зная КТР плавленого кварца и меди, мы можем извлечь собственный КТР двухмерного образца. материал», — объясняет Чжун.

Любопытный результат

Они провели этот анализ на нескольких 2D-материалах и обнаружили, что все они соответствуют теоретическим расчетам. Но исследователи увидели то, чего не ожидали: 2D-материалы попали в иерархию, основанную на составляющих их элементах. Например, 2D-материал, содержащий молибден, всегда имеет больший КТР, чем материал, содержащий вольфрам.

Исследователи копнули глубже и узнали, что эта иерархия вызвана фундаментальным атомным свойством, известным как электроотрицательность. Электроотрицательность описывает тенденцию атомов притягивать или извлекать электроны, когда они связываются. Он указан в периодической таблице для каждого элемента.

Они обнаружили, что чем больше разница между электроотрицательностями элементов, образующих двумерный материал, тем ниже будет коэффициент теплового расширения материала. По словам Чжун, инженер может использовать этот метод для быстрой оценки TEC для любого 2D-материала, вместо того чтобы полагаться на сложные расчеты, которые обычно должен выполнять суперкомпьютер.

«Инженер может просто выполнить поиск в периодической таблице, получить электроотрицательность соответствующих материалов, подставить их в наше корреляционное уравнение, и в течение минуты он сможет получить достаточно хорошую оценку TEC. Это очень многообещающе для быстрого выбора материалов для инженерных приложений.», — говорит Чжан.

Двигаясь вперед, исследователи хотят применить свою методологию ко многим другим 2D-материалам, возможно, создав базу данных TEC. Они также хотят использовать микро-рамановскую спектроскопию для измерения КТР гетерогенных материалов, которые объединяют несколько двумерных материалов. И они надеются узнать основные причины, по которым тепловое расширение 2D-материалов отличается от расширения объемных материалов.

Новая методика точно измеряет, как 2D-материалы расширяются при нагревании



Новости партнеров