Les matériaux bidimensionnels (2D), constitués d’une seule couche d’atomes, sont généralement utilisés dans les dispositifs miniaturisés modernes. Cependant, le fonctionnement de l’appareil peut entraîner une augmentation substantielle de la température et des contraintes thermiques, entraînant une défaillance de l’appareil.
Un tel problème se produit en raison d’une mauvaise compréhension de la façon dont les matériaux 2D se dilatent lorsque les températures augmentent. Ces matériaux sont minces et optiquement transparents, de sorte que leur coefficient de dilatation thermique (TEC) est presque impossible à mesurer à l’aide d’approches standard. Pour relever de tels défis thermiques, il est essentiel de bien comprendre le coefficient de dilatation thermique (TEC).
Un nouveau AVEC Une étude met en évidence une nouvelle technique pour mesurer avec précision la façon dont les matériaux minces en atomes se dilatent lorsqu’ils sont chauffés. Au lieu de mesurer directement la façon dont le matériau se dilate, ils ont utilisé la lumière laser pour suivre les vibrations des atomes du matériau. Ils ont mesuré avec précision le coefficient de dilatation thermique en mesurant le même Matériel 2D sur trois surfaces ou substrats différents.
Cette méthode est très précise, obtenant des résultats qui correspondent aux calculs théoriques. L’approche confirme que les CET des matériaux 2D se situent dans une plage beaucoup plus étroite qu’on ne le pensait auparavant. Cette information pourrait aider les ingénieurs à concevoir électronique de nouvelle génération.
Co-auteur principal et ancien étudiant diplômé en génie mécanique Lenan Zhang SM ’18, Ph.D. ’22, qui est maintenant chercheur scientifique, a déclaré: “En confirmant cette plage physique plus étroite, nous donnons aux ingénieurs une grande flexibilité matérielle pour choisir le substrat inférieur lorsqu’ils conçoivent un appareil. Ils n’ont pas besoin de concevoir un nouveau substrat inférieur pour atténuer les contraintes thermiques. Nous pensons que cela a des implications importantes pour la communauté des appareils électroniques et des emballages.
Les scientifiques ont résolu le problème en se concentrant sur les atomes qui composent le matériau 2D. Lorsque la température augmente, ses atomes vibrent à une fréquence plus basse et s’éloignent les uns des autres. Cela provoque l’expansion du matériau.
Une technique appelée spectroscopie micro-Raman a été utilisé pour mesurer ces vibrations. La méthode consiste à frapper le matériau avec un laser. Les atomes vibrants diffusent la lumière du laser et cette interaction peut être utilisée pour détecter leur fréquence de vibration.
Cependant, les atomes du matériau 2D changent de vibration lorsque le substrat s’étire ou se contracte. Pour se concentrer sur les qualités intrinsèques du matériau, les scientifiques sont amenés à découpler cet impact du substrat. Sur trois substrats différents : le cuivre, qui a un TEC élevé, la silice fondue, qui a un TEC bas ; et un substrat de silicium avec plusieurs trous microscopiques – ils ont mesuré la fréquence vibrationnelle du même matériau 2D. Ils peuvent mesurer ces minuscules régions de matériau autoportant car le matériau 2D plane au-dessus des trous sur ce dernier substrat.
Plus tard, les scientifiques ont placé chaque substrat sur une platine thermique pour contrôler précisément la température, chauffé chaque échantillon et effectué une spectroscopie micro-Raman.
Les résultats ont également montré quelque chose d’inattendu : les matériaux 2D sont tombés dans une hiérarchie basée sur les éléments qui les composent. Par exemple, un matériau 2D qui contient du molybdène a toujours un TEC supérieur à celui qui contient du tungstène.
Lorsque les scientifiques creusent plus profondément, ils découvrent que cette hiérarchie résulte d’une propriété atomique fondamentale connue sous le nom d’électronégativité.
Yang Zhong, un étudiant diplômé en génie mécanique, a déclaré : « Ils ont constaté que plus la différence entre les électronégativités des éléments qui forment un matériau 2D est grande, plus le coefficient de dilatation thermique du matériau sera faible. Un ingénieur pourrait utiliser cette méthode pour estimer rapidement le TEC pour n’importe quel matériau 2D, plutôt que de s’appuyer sur des calculs complexes qui doivent généralement être traités par un supercalculateur.
Zhang a dit, “Un ingénieur peut simplement rechercher dans le tableau périodique, obtenir les électronégativités des matériaux correspondants, les brancher dans notre équation de corrélation, et en une minute, ils peuvent avoir une estimation raisonnablement bonne du TEC. C’est très prometteur pour la sélection rapide des matériaux pour les applications d’ingénierie.
Les scientifiques envisagent maintenant d’utiliser leur technique sur de nombreux autres matériaux 2D. Ils veulent maintenant créer une base de données des TEC.
Référence de la revue :
- Yang Zhong, lenan Zhang et al. Une approche et un descripteur unifiés pour la dilatation thermique des monocouches bidimensionnelles de dichalcogénure de métal de transition. Les avancées scientifiques. EST CE QUE JE: 10.1126/sciadv.abo3783
