Comment les matériaux ‘2D’ se dilatent

Les matériaux bidimensionnels constitués de couches uniques d’atomes peuvent être emballés plus étroitement que les matériaux conventionnels, de sorte qu’ils peuvent être utilisés pour fabriquer des transistors, des cellules solaires, des LED et d’autres dispositifs qui fonctionnent plus rapidement et sont plus performants.

L’un des problèmes qui freinent ces appareils électroniques de nouvelle génération est la chaleur qu’ils génèrent lors de leur utilisation. L’électronique conventionnelle atteint généralement environ 80 degrés Celsius, mais les matériaux des appareils 2D sont si denses que les appareils peuvent devenir deux fois plus chauds. Cette augmentation de température peut endommager l’appareil.

Ce problème est aggravé par le fait que les scientifiques ne comprennent pas entièrement comment les matériaux 2D se dilatent lorsqu’ils sont chauffés. Parce que les matériaux sont si minces et optiquement transparents, leur coefficient de dilatation thermique (TEC) – la tendance d’un matériau à se dilater lorsque la température augmente – ne peut pas être mesuré à l’aide de méthodes standard.

«Lorsque les gens mesurent le coefficient de dilatation thermique de certains matériaux en vrac, ils utilisent une règle scientifique ou un microscope car avec un matériau en vrac, vous avez la sensibilité nécessaire pour les mesurer. La difficulté avec les matériaux 2D est que nous ne pouvons pas vraiment les voir, nous devons donc recourir à un type de règle différent pour mesurer le TEC », a déclaré Yang Zhong, un étudiant diplômé de la Faculté de génie mécanique.

Zhong est l’auteur principal d’un document de recherche qui montre un tel “leader”. Au lieu de mesurer directement la façon dont un matériau se dilate, ils utilisent un faisceau laser pour surveiller les vibrations des atomes qui composent le matériau. Prendre des mesures d’un matériau 2D sur trois surfaces ou substrats différents vous permet de dériver avec précision leur coefficient de dilatation thermique.

Une nouvelle étude montre que cette méthode est très précise pour obtenir des résultats qui correspondent aux calculs théoriques. L’approche confirme que les TEC des matériaux 2D se situent dans une plage beaucoup plus étroite qu’on ne le pensait auparavant. Ces informations peuvent aider les ingénieurs à concevoir la prochaine génération de composants électroniques.

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“En validant cette plage physique étroite, nous donnons aux ingénieurs une plus grande flexibilité dans le choix du substrat inférieur lors de la conception d’un appareil. Ils n’ont pas besoin de concevoir un nouveau substrat inférieur juste pour soulager le stress thermique. Nous pensons que cela a des implications très importantes pour la communauté des appareils électroniques et des emballages », a déclaré l’auteur principal et ancien étudiant diplômé en génie mécanique Lenan Zhang CM ’18, PhD ’22, maintenant chercheur.

Les co-auteurs incluent l’auteur principal Evelyn N. Wang, professeur d’ingénierie Ford et président du département de génie mécanique du MIT et du département de génie électrique et informatique du MIT et du département de génie mécanique et énergétique de la Southern University of Science and Technology, entre autres. Shenzhen, en Chine. L’étude a été publiée Les scientifiques progressent.

Mesure des vibrations

Parce que les matériaux 2D sont si petits – seulement quelques microns – les instruments standard ne sont pas assez sensibles pour mesurer directement leur expansion. De plus, les matériaux sont très fins, ils doivent donc être collés sur un substrat tel que le silicium ou le cuivre. Si le matériau 2D et son substrat ont des TEC différents, ils se dilatent différemment à mesure que la température augmente, provoquant un stress thermique.

Par exemple, si un matériau 2D est lié à un substrat avec un TEC plus élevé, lorsque l’appareil est chauffé, le substrat se dilatera plus que le matériau 2D qui l’étire. Cela rend difficile la mesure exacte du TEC d’un matériau 2D car le substrat affecte son expansion.

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Les chercheurs ont surmonté ces problèmes en se concentrant sur les atomes qui composent le matériau 2D. Lorsqu’un matériau est chauffé, ses atomes vibrent à une fréquence plus basse et s’écartent, ce qui provoque l’expansion du matériau. Ils mesurent ces vibrations à l’aide d’une technique appelée spectroscopie micro-Raman, qui consiste à frapper un matériau avec un laser. Les atomes vibrants diffusent la lumière laser et cette interaction peut être utilisée pour déterminer leur fréquence de vibration.

Mais lorsque le substrat se dilate ou se contracte, cela affecte les vibrations des atomes dans le matériau 2D. Les chercheurs ont dû dissocier cet effet de substrat pour se concentrer sur les propriétés intrinsèques du matériau. Pour ce faire, ils ont mesuré la fréquence vibrationnelle d’un même matériau 2D sur trois substrats différents : le cuivre, qui a un TEC élevé ; la silice fondue, qui a un faible TEC ; et un substrat de silicium avec de petits trous. Au fur et à mesure que le matériau 2D se déplace sur les trous de ce substrat final, ils peuvent effectuer des mesures dans ces petites zones de matériau autonome.

Les chercheurs ont ensuite placé chaque substrat sur une platine thermique pour contrôler précisément la température, chauffé chaque échantillon et effectué une spectroscopie micro-Raman.

“En effectuant des mesures Raman sur trois échantillons, on peut obtenir ce qu’on appelle un coefficient de température en fonction du substrat. En utilisant ces trois substrats différents et en connaissant les TEC de la silice fondue et du cuivre, nous pouvons produire des TEC intrinsèques à partir d’un matériau 2D », explique Zhong.

Résultat intéressant

Ils ont effectué cette analyse sur plusieurs matériaux 2D et ont constaté qu’ils correspondaient tous aux calculs théoriques. Mais les chercheurs ont vu une chose à laquelle ils ne s’attendaient pas : les matériaux 2D se sont hiérarchisés en fonction des éléments qui les composent. Par exemple, un matériau 2D contenant du molybdène aura toujours un TEC plus élevé qu’un matériau contenant du tungstène.

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Les chercheurs ont creusé plus profondément et ont découvert que cette hiérarchie est causée par une propriété atomique fondamentale appelée électronégativité. L’électronivité décrit la tendance des atomes à retirer ou à retirer des électrons lorsqu’ils se lient. Il est indiqué dans le tableau périodique pour chaque élément.

Ils ont constaté que plus la différence entre l’électronégativité des éléments qui composent le matériau 2D est grande, plus le coefficient de dilatation thermique du matériau est faible. Un ingénieur peut utiliser cette méthode pour estimer rapidement le TEC pour n’importe quel matériau 2D sans s’appuyer sur des calculs complexes qui devraient normalement être traités par un supercalculateur, explique Zhong.

« Un ingénieur peut simplement consulter le tableau périodique, obtenir les électronégativités des matériaux correspondants, les intégrer à notre équation de corrélation, et en une minute, il peut estimer assez bien le TEC. Ceci est très prometteur pour la sélection rapide des matériaux pour les applications d’ingénierie. dit Zhang.

À l’avenir, les chercheurs aimeraient appliquer leur méthodologie à de nombreux autres matériaux 2D, peut-être en créant une base de données de centrales nucléaires. Ils souhaitent également utiliser la spectroscopie micro-Raman pour mesurer les TEC de matériaux hétérogènes combinant plusieurs matériaux 2D. Et ils espèrent découvrir les raisons sous-jacentes pour lesquelles la dilatation thermique des matériaux 2D diffère de celle des matériaux en vrac.

Ce travail a été financé en partie par les Centers for Mechanical Engineering Research and Education, les Materials Science and Engineering Centers du MIT et de la Southern University of Science and Technology, la US National Science Foundation et le US Army Research Office.

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