Comment les matériaux bidimensionnels se dilatent-ils lorsqu’ils sont chauffés ?

Les matériaux bidimensionnels (2D), constitués d’une seule couche d’atomes, sont généralement utilisés dans les dispositifs miniatures modernes. Cependant, le fonctionnement de l’appareil peut entraîner une surchauffe et une contrainte thermique importantes, ce qui entraînera la défaillance de l’appareil.

Ce 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, il est donc presque impossible de mesurer le coefficient de dilatation thermique (TEC) à l’aide de méthodes standard. Pour répondre à ces enjeux thermiques, il est indispensable de bien comprendre le coefficient de dilatation thermique (TEC).

Nouveau Massachusetts Institute of Technology L’étude met en évidence une nouvelle technique pour mesurer avec précision la façon dont les matériaux minces se dilatent lorsqu’ils sont chauffés. Au lieu de mesurer directement l’étirement du matériau, 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 et donne des résultats qui correspondent aux calculs théoriques. L’approche confirme que les TEC pour les matériaux 2D se situent dans une plage beaucoup plus étroite qu’on ne le pensait auparavant. Ces informations peuvent aider les ingénieurs à concevoir Électronique de nouvelle génération.

Co-auteur et ancien étudiant diplômé en génie mécanique Lenan Zhang SM ’18, Ph.D. 22 ans, maintenant chercheur scientifique, dit-il, « En garantissant cette gamme de matériaux étroite, nous donnons aux ingénieurs une grande flexibilité matérielle pour choisir un substrat lors de la conception d’un appareil. Ils n’ont pas besoin d’inventer un nouveau substrat pour atténuer les contraintes thermiques. Nous pensons que cela a des implications importantes pour l’électronique. communauté des appareils et des emballages.

Les scientifiques ont résolu le problème en se concentrant sur les atomes qui composent la matière bidimensionnelle. Lorsque la température augmente, ses atomes vibrent à une fréquence plus basse et s’éloignent les uns des autres. Cela élargit le matériau.

technologie appelée Micro spectroscopie Raman pour mesurer ces vibrations. La méthode consiste à frapper le matériau avec un laser. Les atomes vibrants diffusent la lumière laser, et cette interaction peut être utilisée pour détecter la fréquence de leurs vibrations.

Cependant, les atomes du matériau bidimensionnel changent de vibration lorsque le substrat se dilate ou se contracte. Pour se concentrer sur les qualités intrinsèques de la matière, les scientifiques sont invités à dissocier cet effet de substrat. sur trois substrats différents : le cuivre, qui a un TEC élevé, et la silice fondue, qui a un TEC bas ; et un substrat de silicium avec de nombreux trous microscopiques – ils ont mesuré la fréquence de vibration du même matériau bidimensionnel. Ils peuvent mesurer ces petites régions du matériau autoportant car le matériau bidimensionnel plane au-dessus des trous du dernier substrat.

Plus tard, les scientifiques ont placé chaque substrat sur une platine thermique pour contrôler avec précision la température, chauffer chaque échantillon et effectuer une spectroscopie Raman précise.

Les résultats ont également montré quelque chose d’inattendu : les matériaux bidimensionnels sont tombés dans une hiérarchie basée sur les éléments qui les composaient. Par exemple, un matériau 2D contenant du molybdène aura toujours plus de TEC qu’un matériau contenant 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 électromécanique des éléments qui composent un matériau bidimensionnel est grande, plus le coefficient de dilatation thermique du matériau est faible. Un ingénieur peut utiliser cette méthode pour estimer rapidement le taux de consommation d’énergie (TEC) pour deux – matériel dimensionnel, plutôt que de s’appuyer sur des calculs complexes qui doivent généralement être écrasés par un supercalculateur.

changé Il a ditEt le « Un ingénieur peut simplement consulter le tableau périodique, obtenir l’électronégativité des matériaux correspondants, le brancher dans notre équation de corrélation, et en une minute, il peut avoir une estimation raisonnablement bonne du TEC. C’est très prometteur pour sélectionner rapidement des matériaux. pour les applications d’ingénierie.

Les scientifiques prévoient maintenant d’utiliser leur technologie sur de nombreux autres matériaux 2D. Ils veulent maintenant créer une base de données des TEC.

Référence de la revue :

1. Yang Zhong, Lin’an Zhang et al. Une approche unifiée et une caractérisation de la dilatation thermique des monocouches bidimensionnelles de chalcogénures de métaux de transition. La science avance. EST CE QUE JE: 10.1126/sciadv.abo3783