Как се разширяват „2D“ материалите

Нова техника, която измерва точно как тънките като атом материали се разширяват при нагряване, може да помогне на инженерите да разработят по-бързи и по-мощни електронни устройства.

Двуизмерните материали, които се състоят само от един слой атоми, могат да бъдат опаковани заедно по-плътно от конвенционалните, така че да могат да се използват за направата на транзистори, слънчеви клетки, светодиоди и други устройства, които работят по-бързо и се представят по-добре.

Един проблем, който спъва тази електроника от следващо поколение, е топлината, която генерират, когато се използват. Конвенционалната електроника обикновено достига около 80 градуса по Целзий, но материалите в 2D устройствата са опаковани толкова плътно в толкова малка площ, че могат да станат два пъти по-горещи. Това повишаване на температурата може да го повреди.

Този проблем се усложнява от факта, че учените нямат добро разбиране за това как 2D материалите се разширяват, когато температурите се повишават. Тъй като те са толкова тънки и оптически прозрачни, техният коефициент на топлинно разширение (TEC, Thermal Expansion Coefficient – склонността материалът да се разширява при повишаване на температурата) е почти невъзможно да се измери чрез стандартни подходи.

„Когато хората измерват коефициента на топлинно разширение за някакъв обемен материал, те използват линийка или микроскоп, защото имат възможността. Предизвикателството с 2D материал е, че ние не можем наистина да го видим, така че трябва да се обърнем към друг тип измерване“

казва Янг Жонг, завършил студент по машинно инженерство.

Той е съавтор на изследователска статия, която демонстрира точно такава „линийка“. Вместо директно да измерят как се разширява материалът, те използват лазерна светлина, за да проследят вибрациите на атомите, които го съставляват. Извършването на измервания на един 2D материал върху три различни повърхности или субстрати им позволява да извлекат точно неговия коефициент на топлинно разширение.

Новото проучване показва, че този метод е много точен, постигайки резултати, които съответстват на теоретичните изчисления. Подходът потвърждава, че TEC на 2D материали попадат в много по-тесен диапазон, отколкото се смяташе досега. Тази информация може да помогне на инженерите да проектират електроника от следващо поколение.

„Като потвърждаваме този по-тесен физически обхват, ние даваме на инженерите голяма гъвкавост при избора на долния субстрат, когато проектират устройство. Те не трябва да създават нов дънен субстрат, само за да намалят топлинното напрежение. Вярваме, че това има много важни последици за общността на електронните устройства и опаковките”

казва съавторът и бивш студент по машинно инженерство Ленан Жанг, който сега е учен изследовател.

Съавторите включват старши автор Евелин Н. Уанг, професорът по инженерство на Ford и ръководител на катедрата по машинно инженерство на MIT, както и други от катедрата по електротехника и компютърни науки в MIT и катедрата по машинно и енергийно инженерство в Южен университет за наука и технологии в Шенжен, Китай.

Измерване на вибрации

Тъй като 2D материалите са толкова малки – може би с размер само няколко микрона – стандартните инструменти не са достатъчно чувствителни, за да измерват директно тяхното разширение. Освен това материалите са толкова тънки, че трябва да бъдат залепени към субстрат като силиций или мед. Ако 2D материалът и неговият субстрат имат различни TEC, те ще се разширят по различен начин, когато температурите се повишат, което причинява топлинно напрежение.

Например, ако 2D материал е свързан към субстрат с по-висок TEC, когато устройството се нагрее, субстратът ще се разшири повече от 2D материала, който го разтяга. Това затруднява измерването на действителния TEC на 2D материал, тъй като субстратът влияе върху неговото разширяване.

Изследователите преодоляха тези проблеми, като се съсредоточиха върху атомите, които изграждат 2D материала. Когато даден материал се нагрява, неговите атоми вибрират с по-ниска честота и се раздалечават, което кара материала да се разширява. Те измерват тези вибрации с помощта на техника, наречена микро-Раманова спектроскопия, която включва удряне на материала с лазер. Вибриращите атоми разпръскват светлината на лазера и това взаимодействие може да се използва за откриване на тяхната вибрационна честота.

Но тъй като субстратът се разширява или компресира, това влияе върху това как атомите на 2D материала вибрират. Изследователите трябваше да отделят този ефект на субстрата, за да нулират присъщите свойства на материала. Те направиха това чрез измерване на вибрационната честота на един и същ 2D материал върху три различни субстрата: мед, който има висок TEC; стопен силициев диоксид, който има ниско TEC; и силиконов субстрат, осеян с малки дупки. Тъй като 2D материалът се движи над дупките на последния субстрат, те могат да извършват измервания на тези малки области от свободно стоящ материал.

След това изследователите поставят всеки субстрат на термична сцена, за да контролират прецизно температурата, нагряват всяка проба и извършват микро-Раманова спектроскопия.

„Чрез извършване на Раманови измервания на трите проби, можем да извлечем нещо, наречено температурен коефициент, който зависи от субстрата. Използвайки тези три различни субстрата и знаейки TEC на разтопения силициев диоксид и медта, можем да извлечем присъщия TEC на 2D материала“,

обяснява Жонг.

Любопитен резултат

Те извършиха този анализ на няколко 2D материала и установиха, че всички те съответстват на теоретичните изчисления. Но изследователите видяха нещо, което не очакваха: 2D материалите попаднаха в йерархия въз основа на елементите, които ги съставят. Например, 2D материал, който съдържа молибден, винаги има по-висок TEC от този, който съдържа волфрам.

Изследователите се задълбочиха и научиха, че тази йерархия е причинена от фундаментално атомно свойство, известно като електроотрицателност. Електроотрицателността описва тенденцията атомите да привличат или изваждат електрони, когато се свързват. Той е посочен в периодичната таблица за всеки елемент.

Те установиха, че колкото по-голяма е разликата между електроотрицателностите на елементите, които образуват 2D материал, толкова по-нисък ще бъде коефициентът му на топлинно разширение. Един инженер може да използва този метод, за да оцени бързо TEC за всеки 2D материал, вместо да разчита на сложни изчисления, които обикновено трябва да бъдат извършени от суперкомпютър, казва Жонг.

„Един инженер може просто да потърси в периодичната таблица, да получи електроотрицателността на съответните материали, да ги включи в нашето корелационно уравнение и в рамките на минута може да има сравнително добра оценка на TEC. Това е много обещаващо за бърз избор на материали за инженерни приложения“

казва Жанг.

Продължавайки напред, изследователите искат да приложат своята методология към много повече 2D материали и да изградят база данни от TEC. Те също така искат да използват микрораманова спектроскопия за измерване на TEC на хетерогенни материали, които комбинират множество 2D материали. И се надяват да научат основните причини термичното разширение на 2D материалите да е различно от това на обемните материали.

Тази работа е финансирана отчасти от Центровете за изследване и образование в областта на машиностроенето в Масачузетския технологичен институт и Южния университет за наука и технологии, Научните и инженерните центрове за изследване на материалите, Националната научна фондация на САЩ и Изследователската служба на армията на САЩ.