Nieuwe techniek meet nauwkeurig hoe 2D-materialen uitzetten bij verhitting

Begrijp thermische uitzetting via het gekoppelde temperatuur- en substraateffect op fononmodi. Credit: Wetenschappelijke vooruitgang (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abo3783

Tweedimensionale materialen, die uit slechts een enkele laag atomen bestaan, kunnen dichter op elkaar worden gepakt dan conventionele materialen, zodat ze kunnen worden gebruikt om transistors, zonnecellen, leds en andere apparaten te maken die sneller werken en beter presteren.

Een probleem dat deze elektronica van de volgende generatie tegenhoudt, is de warmte die ze genereren wanneer ze in gebruik zijn. Conventionele elektronica bereikt typisch ongeveer 80 graden Celsius, maar de materialen in 2D-apparaten zijn zo dicht op elkaar gepakt in zo’n klein gebied dat de apparaten twee keer zo heet kunnen worden. Deze temperatuurstijging kan het apparaat beschadigen.

Dit probleem wordt nog verergerd door het feit dat wetenschappers geen goed begrip hebben van hoe 2D-materialen uitzetten als de temperatuur stijgt. Omdat de materialen zo dun en optisch transparant zijn, is hun thermische uitzettingscoëfficiënt (TEC) – de neiging van het materiaal om uit te zetten als de temperatuur stijgt – bijna onmogelijk te meten met standaardbenaderingen.

“Wanneer mensen de thermische uitzettingscoëfficiënt van een bepaald bulkmateriaal meten, gebruiken ze een wetenschappelijke liniaal of een microscoop, omdat je met een bulkmateriaal de gevoeligheid hebt om ze te meten. De uitdaging met een 2D-materiaal is dat we ze niet echt kunnen zien, dus we moeten ons wenden tot een ander type liniaal om de TEC te meten”, zegt Yang Zhong, een afgestudeerde student werktuigbouwkunde.

Zhong is mede-hoofdauteur van een onderzoeksartikel dat zo’n “heerser” demonstreert. In plaats van direct te meten hoe het materiaal uitzet, gebruiken ze laserlicht om trillingen van de atomen waaruit het materiaal bestaat te volgen. Door metingen te doen van één 2D-materiaal op drie verschillende oppervlakken of substraten, kunnen ze de thermische uitzettingscoëfficiënt nauwkeurig extraheren.

De nieuwe studie toont aan dat deze methode zeer nauwkeurig is en resultaten oplevert die overeenkomen met theoretische berekeningen. De aanpak bevestigt dat de TEC’s van 2D-materialen in een veel smaller bereik vallen dan eerder werd gedacht. Deze informatie kan ingenieurs helpen bij het ontwerpen van elektronica van de volgende generatie.

“Door dit smallere fysieke bereik te bevestigen, geven we ingenieurs veel materiaalflexibiliteit bij het kiezen van het bodemsubstraat wanneer ze een apparaat ontwerpen. Ze hoeven geen nieuw bodemsubstraat te bedenken om thermische stress te verminderen. We geloven dat dit zeer belangrijke implicaties voor de gemeenschap van elektronische apparaten en verpakkingen”, zegt co-hoofdauteur en voormalig afgestudeerd student werktuigbouwkunde Lenan Zhang SM ’18, Ph.D. ’22, die nu onderzoeker is.

Co-auteurs zijn onder meer senior auteur Evelyn N. Wang, de Ford Professor of Engineering en hoofd van de MIT Department of Mechanical Engineering, evenals anderen van de Department of Electrical Engineering and Computer Science aan het MIT en de Department of Mechanical and Energy Engineering aan Zuidelijke Universiteit voor Wetenschap en Technologie in Shenzhen, China. Het onderzoek is gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitgang.

Trillingen meten

Omdat 2D-materialen zo klein zijn, misschien slechts enkele microns groot, zijn standaardgereedschappen niet gevoelig genoeg om hun uitzetting direct te meten. Bovendien zijn de materialen zo dun dat ze moeten worden gehecht aan een ondergrond zoals silicium of koper. Als het 2D-materiaal en het substraat verschillende TEC’s hebben, zullen ze anders uitzetten als de temperatuur stijgt, wat thermische stress veroorzaakt.

Als een 2D-materiaal bijvoorbeeld wordt gehecht aan een substraat met een hogere TEC, zal het substraat bij verhitting meer uitzetten dan het 2D-materiaal, waardoor het wordt uitgerekt. Dit maakt het moeilijk om de daadwerkelijke TEC van een 2D-materiaal te meten, aangezien het substraat de uitzetting beïnvloedt.

De onderzoekers overwonnen deze problemen door zich te concentreren op de atomen waaruit het 2D-materiaal bestaat. Wanneer een materiaal wordt verwarmd, trillen de atomen met een lagere frequentie en bewegen ze verder uit elkaar, waardoor het materiaal uitzet. Ze meten deze trillingen met behulp van een techniek genaamd micro-Raman-spectroscopie, waarbij ze met een laser op het materiaal slaan. De trillende atomen verstrooien het licht van de laser en deze interactie kan worden gebruikt om hun trillingsfrequentie te detecteren.

Maar naarmate het substraat uitzet of comprimeert, heeft dit invloed op hoe de atomen van het 2D-materiaal trillen. De onderzoekers moesten dit substraateffect ontkoppelen om de intrinsieke eigenschappen van het materiaal in kaart te brengen. Ze deden dit door de trillingsfrequentie van hetzelfde 2D-materiaal op drie verschillende substraten te meten: koper, dat een hoge TEC heeft; gesmolten silica, dat een lage TEC heeft; en een siliciumsubstraat bezaaid met kleine gaatjes. Doordat het 2D-materiaal boven de gaten op laatstgenoemd substraat zweeft, kunnen ze metingen doen aan deze minuscule vlakken vrijstaand materiaal.

De onderzoekers plaatsten vervolgens elk substraat op een thermisch podium om de temperatuur nauwkeurig te regelen, verwarmden elk monster en voerden micro-Raman-spectroscopie uit.

“Door Raman-metingen uit te voeren op de drie monsters, kunnen we iets extraheren dat de temperatuurcoëfficiënt wordt genoemd en dat afhankelijk is van het substraat. Door deze drie verschillende substraten te gebruiken en de TEC’s van het gesmolten siliciumdioxide en het koper te kennen, kunnen we de intrinsieke TEC van de 2D extraheren. materiaal,” legt Zhong uit.

Een curieus resultaat

Ze voerden deze analyse uit op verschillende 2D-materialen en ontdekten dat ze allemaal overeenkwamen met theoretische berekeningen. Maar de onderzoekers zagen iets dat ze niet hadden verwacht: 2D-materialen vielen in een hiërarchie op basis van de elementen waaruit ze bestaan. Een 2D-materiaal dat molybdeen bevat, heeft bijvoorbeeld altijd een grotere TEC dan een materiaal dat wolfraam bevat.

De onderzoekers groeven dieper en ontdekten dat deze hiërarchie wordt veroorzaakt door een fundamentele atomaire eigenschap die bekend staat als elektronegativiteit. Elektronegativiteit beschrijft de neiging van atomen om elektronen aan te trekken of te onttrekken wanneer ze zich binden. Het staat vermeld op het periodiek systeem voor elk element.

Ze ontdekten dat hoe groter het verschil is tussen de elektronegativiteiten van elementen die een 2D-materiaal vormen, hoe lager de thermische uitzettingscoëfficiënt van het materiaal zal zijn. Een ingenieur zou deze methode kunnen gebruiken om snel de TEC voor elk 2D-materiaal te schatten, in plaats van te vertrouwen op complexe berekeningen die normaal gesproken door een supercomputer moeten worden gemaakt, zegt Zhong.

“Een ingenieur kan gewoon het periodiek systeem doorzoeken, de elektronegativiteiten van de overeenkomstige materialen krijgen, ze in onze correlatievergelijking stoppen en binnen een minuut kunnen ze een redelijk goede schatting van de TEC hebben. Dit is veelbelovend voor snelle materiaalkeuze voor technische toepassingen ‘, zegt Zhang.

In de toekomst willen de onderzoekers hun methodologie toepassen op veel meer 2D-materialen, misschien door een database van TEC’s op te bouwen. Ze willen ook micro-Raman-spectroscopie gebruiken om TEC’s van heterogene materialen te meten, die meerdere 2D-materialen combineren. En ze hopen de onderliggende redenen te leren waarom thermische uitzetting van 2D-materialen anders is dan die van bulkmaterialen.