Neue Technik misst genau, wie sich 2D-Materialien bei Erwärmung ausdehnen

Zweidimensionale Materialien, die nur aus einer einzigen Atomschicht bestehen, können dichter gepackt werden als herkömmliche Materialien, sodass sie zur Herstellung von Transistoren, Solarzellen, LEDs und anderen Geräten verwendet werden könnten, die schneller laufen und eine bessere Leistung erbringen.

Ein Problem, das diese Elektronik der nächsten Generation zurückhält, ist die Wärme, die sie im Betrieb erzeugen. Herkömmliche Elektronik erreicht normalerweise etwa 80 Grad Celsius, aber die Materialien in 2D-Geräten sind auf so kleinem Raum so dicht gepackt, dass die Geräte doppelt so heiß werden können. Diese Temperaturerhöhung kann das Gerät beschädigen.

Dieses Problem wird durch die Tatsache verstärkt, dass Wissenschaftler nicht genau wissen, wie sich 2D-Materialien bei steigenden Temperaturen ausdehnen. Da die Materialien so dünn und optisch transparent sind, ist ihr Wärmeausdehnungskoeffizient (TEC) – die Tendenz des Materials, sich bei steigenden Temperaturen auszudehnen – mit Standardansätzen nahezu unmöglich zu messen.

„Wenn Menschen den Wärmeausdehnungskoeffizienten für ein Schüttgut messen, verwenden sie ein wissenschaftliches Lineal oder ein Mikroskop, weil man bei einem Schüttgut die Empfindlichkeit hat, sie zu messen. Die Herausforderung bei einem 2D-Material besteht darin, dass wir sie nicht wirklich sehen können wir müssen uns einem anderen Linealtyp zuwenden, um den TEC zu messen“, sagt Yang Zhong, ein Doktorand im Maschinenbau.

Zhong ist Co-Lead-Autor einer Forschungsarbeit, die einen solchen „Herrscher“ demonstriert. Anstatt direkt zu messen, wie sich das Material ausdehnt, verwenden sie Laserlicht, um Vibrationen der Atome zu verfolgen, aus denen das Material besteht. Durch Messungen eines 2D-Materials auf drei verschiedenen Oberflächen oder Substraten können sie seinen Wärmeausdehnungskoeffizienten genau extrahieren.

Die neue Studie zeigt, dass diese Methode sehr genau ist und Ergebnisse erzielt, die den theoretischen Berechnungen entsprechen. Der Ansatz bestätigt, dass die TECs von 2D-Materialien in einen viel engeren Bereich fallen als bisher angenommen. Diese Informationen könnten Ingenieuren dabei helfen, Elektronik der nächsten Generation zu entwerfen.

„Durch die Bestätigung dieses engeren physikalischen Bereichs geben wir Ingenieuren viel Materialflexibilität bei der Auswahl des unteren Substrats, wenn sie ein Gerät entwerfen. Sie müssen kein neues unteres Substrat entwickeln, nur um die thermische Belastung zu mindern. Wir glauben, dass dies sehr wichtig ist wichtige Implikationen für die Elektronikgeräte- und Verpackungsgemeinschaft“, sagt der Co-Hauptautor und ehemalige Maschinenbaustudent Lenan Zhang SM ’18, Ph.D. ’22, der jetzt wissenschaftlicher Mitarbeiter ist.

Zu den Co-Autoren gehören die leitende Autorin Evelyn N. Wang, Ford-Professorin für Ingenieurwissenschaften und Leiterin des MIT-Departments für Maschinenbau, sowie andere aus dem Department of Electrical Engineering and Computer Science am MIT und dem Department of Mechanical and Energy Engineering at Southern University of Science and Technology in Shenzhen, China. Die Forschung ist veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte.

Schwingungen messen

Da 2D-Materialien so klein sind – vielleicht nur wenige Mikrometer groß – sind Standardwerkzeuge nicht empfindlich genug, um ihre Ausdehnung direkt zu messen. Außerdem sind die Materialien so dünn, dass sie mit einem Substrat wie Silizium oder Kupfer verbunden werden müssen. Wenn das 2D-Material und sein Substrat unterschiedliche TECs haben, dehnen sie sich bei steigenden Temperaturen unterschiedlich aus, was zu thermischen Spannungen führt.

Wenn beispielsweise ein 2D-Material auf ein Substrat mit einem höheren TEC geklebt wird, dehnt sich das Substrat beim Erhitzen des Geräts stärker aus als das 2D-Material, wodurch es gedehnt wird. Dies macht es schwierig, den tatsächlichen TEC eines 2D-Materials zu messen, da das Substrat seine Ausdehnung beeinflusst.

Die Forscher überwanden diese Probleme, indem sie sich auf die Atome konzentrierten, aus denen das 2D-Material besteht. Wenn ein Material erhitzt wird, schwingen seine Atome mit einer niedrigeren Frequenz und bewegen sich weiter auseinander, wodurch sich das Material ausdehnt. Sie messen diese Schwingungen mit einer Technik namens Mikro-Raman-Spektroskopie, bei der das Material mit einem Laser getroffen wird. Die vibrierenden Atome streuen das Licht des Lasers, und diese Wechselwirkung kann verwendet werden, um ihre Schwingungsfrequenz zu erfassen.

Aber wenn sich das Substrat ausdehnt oder zusammenzieht, beeinflusst es, wie die Atome des 2D-Materials schwingen. Die Forscher mussten diesen Substrateffekt entkoppeln, um die intrinsischen Eigenschaften des Materials einzugrenzen. Sie taten dies, indem sie die Schwingungsfrequenz desselben 2D-Materials auf drei verschiedenen Substraten maßen: Kupfer, das einen hohen TEC hat; Quarzglas, das einen niedrigen TEC hat; und ein Siliziumsubstrat, das mit winzigen Löchern übersät ist. Da das 2D-Material über den Löchern auf dem letzteren Substrat schwebt, können sie Messungen an diesen winzigen Bereichen von freistehendem Material durchführen.

Die Forscher platzierten dann jedes Substrat auf einem Wärmetisch, um die Temperatur genau zu kontrollieren, erhitzten jede Probe und führten eine Mikro-Raman-Spektroskopie durch.

„Indem wir Raman-Messungen an den drei Proben durchführen, können wir den sogenannten Temperaturkoeffizienten extrahieren, der substratabhängig ist. Unter Verwendung dieser drei verschiedenen Substrate und mit Kenntnis der TECs des Quarzglases und des Kupfers können wir den intrinsischen TEC des 2D extrahieren Material“, erklärt Zhong.

Ein kurioses Ergebnis

Sie führten diese Analyse an mehreren 2D-Materialien durch und stellten fest, dass sie alle mit theoretischen Berechnungen übereinstimmten. Aber die Forscher sahen etwas, das sie nicht erwartet hatten: 2D-Materialien fielen in eine Hierarchie, basierend auf den Elementen, aus denen sie bestehen. Beispielsweise hat ein 2D-Material, das Molybdän enthält, immer einen größeren TEC als eines, das Wolfram enthält.

Die Forscher gruben tiefer und fanden heraus, dass diese Hierarchie durch eine grundlegende atomare Eigenschaft verursacht wird, die als Elektronegativität bekannt ist. Elektronegativität beschreibt die Tendenz von Atomen, Elektronen zu ziehen oder zu extrahieren, wenn sie sich verbinden. Es ist im Periodensystem für jedes Element aufgeführt.

Sie fanden heraus, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials umso geringer ist, je größer der Unterschied zwischen den Elektronegativitäten von Elementen ist, die ein 2D-Material bilden. Ein Ingenieur könnte diese Methode verwenden, um den TEC für jedes 2D-Material schnell zu schätzen, anstatt sich auf komplexe Berechnungen zu verlassen, die normalerweise von einem Supercomputer bearbeitet werden müssen, sagt Zhong.

„Ein Ingenieur kann einfach das Periodensystem durchsuchen, die Elektronegativitäten der entsprechenden Materialien abrufen, sie in unsere Korrelationsgleichung einsetzen und innerhalb einer Minute kann er eine einigermaßen gute Schätzung des TEC haben. Dies ist sehr vielversprechend für eine schnelle Materialauswahl für technische Anwendungen “, sagt Zhang.

In Zukunft wollen die Forscher ihre Methodik auf viele weitere 2D-Materialien anwenden und vielleicht eine Datenbank mit TECs aufbauen. Sie wollen auch Mikro-Raman-Spektroskopie verwenden, um TECs von heterogenen Materialien zu messen, die mehrere 2D-Materialien kombinieren. Und sie hoffen, die zugrunde liegenden Gründe zu erfahren, warum sich die Wärmeausdehnung von 2D-Materialien von der von Massenmaterialien unterscheidet.