Одной из проблем, сдерживающих развитие этой электроники следующего поколения, является тепло, которое они выделяют при использовании. Обычная электроника обычно достигает около 80 градусов Цельсия, но материалы в 2D-устройствах упакованы так плотно на такой небольшой площади, что устройства могут нагреваться в два раза сильнее. Такое повышение температуры может привести к повреждению устройства.

Эта проблема усугубляется тем фактом, что ученые не имеют хорошего представления о том, как двумерные материалы расширяются при повышении температуры. Поскольку материалы настолько тонкие и оптически прозрачные, их коэффициент теплового расширения (TEC) - тенденцию материала расширяться при повышении температуры - практически невозможно измерить с помощью стандартных подходов.

"Когда люди измеряют коэффициент теплового расширения для какого-либо сыпучих материалов, они используют научную линейку или микроскоп, потому что с сыпучим материалом у вас есть чувствительность для их измерения. 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 в области машиностроения.

Чжун является соавтором исследовательской работы, которая демонстрирует именно такую "линейку". Вместо того, чтобы непосредственно измерять, как материал расширяется, они используют лазерный свет для отслеживания колебаний атомов, из которых состоит материал. Проведение измерений одного 2D-материала на трех разных поверхностях или подложках позволяет им точно определить его коэффициент теплового расширения.

Новое исследование показывает, что этот метод отличается высокой точностью, позволяя получать результаты, соответствующие теоретическим расчетам. Этот подход подтверждает, что технические характеристики 2D-материалов попадают в гораздо более узкий диапазон, чем считалось ранее. Эта информация могла бы помочь инженерам в разработке электроники следующего поколения.

"Подтверждая этот более узкий физический диапазон, мы предоставляем инженерам большую материальную гибкость при выборе нижней подложки при проектировании устройства. Им не нужно изобретать новую нижнюю подложку только для того, чтобы снизить тепловое напряжение. Мы считаем, что это имеет очень важные последствия для сообщества электронных устройств и упаковки", - говорит соавтор исследования и бывший аспирант-механик Ленан Чжан, 18 лет, доктор философии 22 года, который сейчас является научным сотрудником.

В число соавторов входят старший автор Эвелин Н. Ван, профессор инженерного дела Форда и заведующая кафедрой машиностроения Массачусетского технологического института, а также другие сотрудники кафедры электротехники и компьютерных наук Массачусетского технологического института и кафедры машиностроения и энергетики Южного университета науки и технологии в Шэньчжэне, Китай. Исследование опубликовано в Научные достижения.

Измерение вибраций

Поскольку 2D-материалы настолько малы - возможно, всего несколько микрон в размере - стандартные инструменты недостаточно чувствительны, чтобы непосредственно 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 разную текучесть, они будут по-разному расширяться при повышении температуры, что вызывает термическое напряжение.

Например, если двумерный материал прикреплен к подложке с более высоким TEC, при нагревании устройства подложка будет расширяться больше, чем двумерный материал, который ее растягивает. Это затрудняет измерение фактического TEC двумерного материала, поскольку подложка влияет на его расширение.

Исследователи преодолели эти проблемы, сосредоточившись на атомах, из которых состоит двумерный материал. Когда материал нагревается, его атомы вибрируют с более низкой частотой и отдаляются друг от друга, что приводит к расширению материала. Они измеряют эти вибрации с помощью метода, называемого микро-рамановской спектроскопией, который включает в себя воздействие на материал лазером. Вибрирующие атомы рассеивают свет лазера, и это взаимодействие может быть использовано для определения частоты их колебаний.

Но когда подложка расширяется или сжимается, это влияет на то, как вибрируют атомы двумерного материала. Исследователям необходимо было отделить этот эффект подложки, чтобы свести к нулю внутренние свойства материала. Они сделали это, измерив частоту колебаний одного и того же 2D-материала на трех разных подложках: меди, которая имеет высокий TEC; плавленого кремнезема, который имеет низкий TEC; и кремниевой подложки, усеянной 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 термическую ступень, чтобы точно контролировать температуру, нагрели каждый образец и провели микро-рамановскую спектроскопию.

"Выполняя измерения комбинационного рассеяния света на трех образцах, мы можем извлечь нечто, называемое температурным коэффициентом, зависящим от субстрата. Используя эти три разные подложки и зная технические характеристики плавленого кремнезема и меди, мы можем извлечь внутренние технические характеристики 2D-материала", - 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 они не ожидали: двумерные материалы попали в иерархию, основанную на составляющих их элементах. Например, двумерный материал, содержащий молибден, всегда имеет больший TEC, чем материал, содержащий вольфрам.

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

Они обнаружили, что чем больше разница между электроотрицательностью элементов, образующих двумерный материал, тем ниже будет коэффициент теплового расширения материала. Инженер мог бы использовать этот метод для быстрой оценки TEC для любого 2D-материала, вместо того, чтобы полагаться на сложные вычисления, которые обычно должны выполняться суперкомпьютером, говорит Чжун.

"Инженер может просто просмотреть периодическую таблицу, получить электроотрицательности соответствующих материалов, включить их в наше корреляционное уравнение и в течение минуты получить достаточно хорошую оценку TEC. Это очень многообещающе для быстрого выбора материалов для инженерных применений", - говорит Чжан.

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

Эта работа частично финансируется Центрами исследований и образования в области машиностроения Массачусетского технологического института и Южного университета науки и техники, Научно-техническими центрами по исследованию материалов, Национальным научным фондом США и Исследовательским управлением армии США.