Onderzoekers ontwikkelen nieuwe hittetest voor atoomdun materiaal

Geavanceerde materialen, waaronder tweedimensionale of ‘atomisch dunne’ materialen van slechts een paar atomen dik, zijn essentieel voor de toekomst van de micro-elektronicatechnologie. Nu heeft een team van het Los Alamos National Laboratory een manier ontwikkeld om de thermische uitzettingscoëfficiënt van dergelijke materialen direct te meten, de snelheid waarmee het materiaal uitzet als het opwarmt.

Dat inzicht kan helpen bij het aanpakken van warmtegerelateerde prestatieproblemen van materialen die zijn verwerkt in micro-elektronica, zoals computerchips. De studie is gepubliceerd in ACS Nano.

“Het is algemeen bekend dat het verwarmen van een materiaal doorgaans resulteert in expansie van de atomen die in de structuur van het materiaal zijn gerangschikt,” aldus Theresa Kucinski, wetenschapper bij de Nuclear Materials Science Group in Los Alamos. “Maar het wordt vreemd als het materiaal slechts één tot een paar atomen dik is.”

Vanwege de dunheid van tweedimensionale materialen kon tot nu toe alleen indirect of met behulp van een ondersteunende structuur, een substraat, de thermische uitzetting worden gemeten. Die beperkingen hebben geleid tot grote discrepanties in de metingen van de thermische uitzetting.

Door gebruik te maken van vierdimensionale scanning-transmissie-elektronenmicroscopie in hun experimentele opstelling, gecombineerd met een niet-cirkelvormige elektronenbundel en complexe computationele analyse, bepaalde het team nauwkeurig de thermische uitzetting in het materiaal.

Warmte begrijpen in micro-elektronische materialen

Micro-elektronica, waaronder computerchips, is kleine elektronica die afhankelijk is van halfgeleidend materiaal, zoals het wolfraamdiselenide waarmee het team experimenteerde.

Gezien de vooruitgang in materialen en architecturen die vereist zijn voor opkomende micro-elektronische apparaten, en de productie van warmte die in dergelijke apparaten plaatsvindt, moeten sleuteleigenschappen zoals thermische uitzetting van de tweedimensionale materialen waaruit ze bestaan ​​nauwkeurig worden begrepen.

Het team kweekte het wolfraamdiselenide met behulp van chemische dampdepositie van metaalorganische stoffen. Deze techniek gebruikt hitte om gassen te combineren en een afzetting van materialen van slechts drie atomen dik achter te laten op een glasoppervlak met een diameter van 5 cm.

Het dunnefilmmonster werd verhit tot meer dan 1.000 graden Fahrenheit tijdens het 4D-elektronenmicroscopie-experiment. Hierbij produceerden tienduizenden diffractiepatronen een dataset die, na een computeranalyse, statistisch de aard en omvang van de veranderingen in de structuur van het materiaal onthult.

Synthesemethoden zoals metaalorganische chemische dampdepositie hebben een grote mate van toepasbaarheid voor de fabricage van micro-elektronica op grote schaal. Omdat apparaten warmte produceren die tot degradatie kan leiden, helpt het begrijpen van het thermische gedrag van tweedimensionale materialen die met dergelijke technieken zijn vervaardigd (en hoe dit zich verhoudt tot de eigenschappen van vergelijkbare materialen in bulkvorm) te voorspellen hoe het materiaal zich zal gedragen in echte toepassingsomgevingen onder omstandigheden. thermische belastingen.

“Onze ontdekking stelt vast dat de thermische uitzetting van tweedimensionale wolfraamdiselenide inderdaad meer in overeenstemming is met de thermische uitzetting die we zien in bulkmaterialen”, zegt Michael Pettes, wetenschapper van het Center for Integrated Nanotechnologies en corresponderende auteur van het artikel.

“Dit is veelbelovend, omdat de waarde vergelijkbaar is met die van conventionele materialen die worden gebruikt in de bestaande halfgeleiders die integraal deel uitmaken van de micro-elektronica.”