Haben Sie schon einmal herumgesessen und sich gefragt, wie sich 2D-Materialien ausdehnen? Ich auch nicht, aber Wenn Sie haben, dann hat möglicherweise ein Forscherteam die Antwort auf die Frage gelöst. Erstens bestehen 2D-Materialien aus nur einer einzigen Schicht von Atomen, die im Gegensatz zu herkömmlichen Materialien dicht gepackt werden können. Die Anwendungen, die von 2D-Materialien profitieren können, sind Dinge wie Transistoren, Solarzellen, LEDs und andere Geräte, die schneller laufen und eine bessere Leistung erbringen können.
Das große Problem mit dieser Elektronik der nächsten Generation ist, dass sie viel Wärme erzeugt. Herkömmliche Elektronik erreicht im Betrieb meist nur rund 80 Grad Celsius, während diese 2D-Geräte fast doppelt so heiß werden, da sie auf engstem Raum dicht gepackt sind. Je heißer das Gerät wird, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung oder eines Ausfalls.
Eines der anderen Probleme mit 2D-Materialien ist, dass Wissenschaftler kein gutes Verständnis dafür haben, wie sich 2D-Materialien bei steigenden Temperaturen ausdehnen. Grundsätzlich sind die Materialien so dünn und optisch transparent, dass Wissenschaftler den thermischen Ausdehnungskoeffizienten (TEC) nicht mit Standardansätzen messen konnten. (Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist einfach die Tendenz von Materialien, sich auszudehnen, wenn die Temperatur erhöht wird.)
„Wenn Menschen den Wärmeausdehnungskoeffizienten für ein Schüttgut messen, verwenden sie ein wissenschaftliches Lineal oder ein Mikroskop, weil man bei Schüttgut die Empfindlichkeit hat, sie zu messen. Die Herausforderung bei einem 2D-Material besteht darin, dass wir sie nicht wirklich sehen können, also müssen wir uns einem anderen Linealtyp zuwenden, um den TEC zu messen“, sagt Yang Zhong, ein Doktorand in Maschinenbau.
Eine wissenschaftliche Arbeit, die einen solchen „Herrscher“ illustriert, wurde von Zhong mitverfasst. Sie verwendeten Laserlicht, um die Vibrationen der Atome des Materials zu verfolgen, anstatt direkt zu erfassen, wie sich das Material ausdehnt. Sie extrahierten den Wärmeausdehnungskoeffizienten genau, indem sie dasselbe 2D-Material auf drei verschiedenen Oberflächen maßen.
Die Ergebnisse der neue Studie demonstrieren die hohe Genauigkeit der Methode und stimmen exakt mit den theoretischen Berechnungen überein. Die Methode bestätigt, dass die TECs von 2D-Materialien in einen kleineren Bereich fallen als bisher angenommen. Dieses Wissen könnte für Ingenieure nützlich sein, die Elektronik für die Zukunft entwickeln.
„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 Bodensubstrat entwickeln, nur um die thermische Belastung zu mindern. Wir glauben, dass dies sehr wichtige Auswirkungen auf die Community für elektronische Geräte und Verpackungen hat“, sagt der Co-Hauptautor und ehemalige Maschinenbaustudent Lenan Zhang SM ’18, Ph.D. ’22, der jetzt wissenschaftlicher Mitarbeiter ist.
Zu den Co-Autoren der Studie 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 Energietechnik an der Southern University of Science and Technology in Shenzhen, China. Die Studie wurde veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte.
Standardtechniken sind nicht empfindlich genug, um die Ausdehnung von 2D-Materialien direkt zu erfassen, da sie so klein sind, nur wenige Mikrometer groß. Da die Materialien so dünn sind, müssen sie auch an einer Oberfläche wie Kupfer oder Silizium befestigt werden. Thermische Spannungen entstehen durch die Ausdehnung des 2D-Materials und seines Substrats, die sich bei steigenden Temperaturen im TEC unterscheiden.
Wenn beispielsweise ein Gerät erhitzt wird, dehnt sich das 2D-Material, das an einer Oberfläche mit einem höheren TEC befestigt ist, stärker aus als das 2D-Material und dehnt es aus. Infolgedessen ist es schwierig, den wahren TEC eines 2D-Materials zu bestimmen, da die Oberfläche seine Ausdehnung beeinflusst.
Diese Probleme wurden von den Forschern gelöst, indem sie sich auf die Atome konzentrierten, aus denen die 2D-Substanz besteht. Ein Stoff dehnt sich bei Erwärmung aus, weil die Schwingungsfrequenz seiner Atome abnimmt und sich dadurch weiter voneinander entfernt. Um diese Schwingungen zu messen, verwenden sie eine Methode namens Mikro-Raman-Spektroskopie, bei der das Material mit einem Laser getroffen wird. Das Licht des Lasers wird von den schwingenden Atomen gestreut, und dieser Effekt kann genutzt werden, um die Schwingungsfrequenz der Atome zu bestimmen.
Aber die Atome des 2D-Materials ändern ihre Schwingung, wenn sich die Oberfläche dehnt oder zusammenzieht. Um sich auf die spezifischen Eigenschaften des Materials zu konzentrieren, versuchten die Forscher, diesen Oberflächeneinfluss zu trennen. Auf drei verschiedenen Substraten – Kupfer, das einen hohen TEC hat; Quarzglas, das einen niedrigen TEC hat; und ein Siliziumsubstrat mit mehreren mikroskopisch kleinen Löchern – sie maßen die Schwingungsfrequenz desselben 2D-Materials, um dies zu erreichen. Sie können diese winzigen Bereiche von freistehendem Material messen, da das 2D-Material über den Perforationen auf der letzteren Oberfläche schwebt.
Die Proben wurden dann erhitzt, Mikro-Raman-Spektroskopie wurde durchgeführt, und jede Oberfläche wurde auf einem Wärmetisch angeordnet, um eine genaue Temperaturkontrolle zu ermöglichen.
„Indem wir Raman-Messungen an den drei Proben durchführen, können wir den sogenannten Temperaturkoeffizienten extrahieren, der substratabhängig ist. Unter Verwendung dieser drei unterschiedlichen Substrate und der Kenntnis der TECs des Quarzglases und des Kupfers können wir den intrinsischen TEC des 2D-Materials extrahieren“, erklärt Zhong.
Sie wiederholten diesen Test an einer Reihe von 2D-Materialien und stellten fest, dass jedes von ihnen den Berechnungen entsprach. Aber die Forscher entdeckten etwas Unerwartetes: 2D-Materialien wurden hierarchisch nach den Bestandteilen angeordnet, aus denen sie bestehen. Beispielsweise ist der TEC eines 2D-Materials, das Molybdän enthält, immer höher als der eines Materials, das Wolfram enthält.
Als sie tiefer nachforschten, stellten die Wissenschaftler fest, dass Elektronegativität, eine grundlegende atomare Eigenschaft, diese Hierarchie verursacht. Wenn sich Atome verbinden, neigen sie dazu, Elektronen anzuziehen oder herauszuziehen, was als Elektronegativität bekannt ist. Es ist im Periodensystem für jedes Element aufgeführt.
Sie entdeckten, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient eines 2D-Materials umso geringer ist, je stärker sich die Elektronegativitäten seiner Bestandteile voneinander unterscheiden. Anstatt sich auf komplizierte Berechnungen zu verlassen, die im Allgemeinen von einem Supercomputer durchgeführt werden, könnte dieser Ansatz laut Zhong von einem Ingenieur verwendet werden, um den TEC für jedes 2D-Material einfach zu schätzen.
„Ein Ingenieur kann einfach das Periodensystem durchsuchen, die Elektronegativitäten der entsprechenden Materialien abrufen, sie in unsere Korrelationsgleichung einsetzen und innerhalb einer Minute hat er eine einigermaßen gute Schätzung des TEC. Dies ist sehr vielversprechend für eine schnelle Materialauswahl für technische Anwendungen“, sagt Zhang.
Die Forscher hoffen, ihren Ansatz in Zukunft mit viel mehr 2D-Materialien anwenden zu können und vielleicht eine Datenbank mit TECs zu erstellen. Sie beabsichtigen auch, die TECs von heterogenen Materialien, die verschiedene 2D-Materialien kombinieren, mithilfe von Mikro-Raman-Spektroskopie nachzuweisen. Außerdem wollen sie die grundlegenden Faktoren verstehen, die dazu führen, dass sich die Wärmeausdehnung von 2D-Materialien von Massenmaterialien unterscheidet.
Diese Arbeit wird teilweise von den Centers for Mechanical Engineering Research and Education am MIT und der Southern University of Science and Technology, den Materials Research Science and Engineering Centers, der US National Science Foundation und dem US Army Research Office finanziert.
Dieser Durchbruch im Verständnis kann zu zukünftigen Entwicklungen in der neuen 2D-Technologie führen, da sie anscheinend auf dem richtigen Weg sind, um zu verstehen, wie sich 2D-Materialien ausdehnen.
Quelle und Foto: MIT
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