「2D」マテリアルがどのように拡張するか | MITニュース

原子の 1 層だけで構成される 2 次元材料は、従来の材料よりも高密度に詰め込むことができるため、トランジスタ、太陽電池、LED など、より高速で高性能なデバイスの製造に使用できる可能性があります。

これらの次世代電子機器を妨げている問題の 1 つは、使用時に発生する熱です。 従来の電子機器は通常摂氏約 80 度に達しますが、2D デバイスの材料は非常に狭い領域に非常に高密度に詰め込まれているため、デバイスは 2 倍の温度になる可能性があります。 この温度上昇により、デバイスが損傷する可能性があります。

この問題は、科学者が温度が上昇したときに 2D 物質がどのように膨張するかをよく理解していないという事実によって悪化します。 材料は非常に薄く、光学的に透明であるため、熱膨張係数 (TEC) (温度が上昇したときに材料が膨張する傾向) を標準的な方法で測定することはほとんど不可能です。

「人々がバルク材料の熱膨張係数を測定するときは、科学定規や顕微鏡を使用します。バルク材料では、それらを測定する感度があるからです。 2D 素材の課題は、実際にそれらを見ることができないことです。したがって、TEC を測定するには別のタイプの定規に頼る必要があります」と、機械工学の大学院生である Yang Zhong は言います。

Zhong は、まさにそのような「定規」を示す研究論文の共同筆頭著者です。 材料がどのように膨張するかを直接測定するのではなく、レーザー光を使用して、材料を構成する原子の振動を追跡します。 3 つの異なる表面または基板上の 1 つの 2D 材料を測定すると、その熱膨張係数を正確に抽出できます。

新しい研究は、この方法が非常に正確であり、理論計算と一致する結果を達成していることを示しています。 このアプローチは、2D 材料の TEC が以前に考えられていたよりもはるかに狭い範囲に収まることを確認しています。 この情報は、エンジニアが次世代の電子機器を設計するのに役立つ可能性があります。

「この狭い物理的範囲を確認することで、エンジニアがデバイスを設計する際に下部基板を選択するための材料の柔軟性が大幅に向上します。 熱応力を緩和するためだけに新しい下部基板を考案する必要はありません。 これは、電子デバイスおよびパッケージング コミュニティにとって非常に重要な意味を持つと考えています」と、共同主執筆者で元機械工学大学院生の Lenan Zhang SM ’18、現在は研究科学者である PhD ’22 は述べています。

共著者には、フォード工学部教授で MIT 機械工学科の責任者である上級著者の Evelyn N. Wang のほか、MIT の電気工学およびコンピュータ サイエンス学科および機械エネルギー工学科の他の者が含まれます。中国の深圳にある南方科技大学。 この研究は本日、 科学の進歩.

振動の測​​定

2D 材料は非常に小さいため (おそらくサイズはわずか数ミクロン)、標準的なツールでは膨張を直接測定できるほど感度が高くありません。 さらに、材料は非常に薄いため、シリコンや銅などの基板に接着する必要があります。 2D 材料とその基板の TEC が異なる場合、温度が上昇したときの膨張の仕方が異なり、熱応力が発生します。

たとえば、2D 材料が TEC の高い基板に接合されている場合、デバイスが加熱されると、基板は 2D 材料よりも大きく膨張し、2D 材料が伸びます。 これは、基板がその膨張に影響を与えるため、2D 材料の実際の TEC を測定することを困難にします。

研究者は、2D 材料を構成する原子に注目することで、これらの問題を克服しました。 材料が加熱されると、その原子はより低い周波数で振動し、離れて移動します。これにより、材料が膨張します。 彼らは、マイクロラマン分光法と呼ばれる技術を使用してこれらの振動を測定します。これには、レーザーを材料に当てることが含まれます。 振動する原子はレーザーの光を散乱させ、この相互作用を使用して振動周波数を検出できます。

しかし、基板が膨張または圧縮すると、2D 材料の原子がどのように振動するかに影響します。 研究者は、この基板効果を切り離して、材料の固有特性をゼロにする必要がありました。 彼らは、3 つの異なる基板上で同じ 2D 材料の振動周波数を測定することによってこれを行いました。 TECが低いフューズドシリカ。 小さな穴が点在するシリコン基板。 2D 材料は後者の基板の穴の上に浮かんでいるため、独立した材料のこれらの小さな領域で測定を実行できます。

次に、研究者は各基板をサーマルステージに配置して温度を正確に制御し、各サンプルを加熱して、マイクロラマン分光法を実行しました。

「3つのサンプルでラマン測定を実行することにより、基板に依存する温度係数と呼ばれるものを抽出できます。 これら 3 つの異なる基板を使用し、石英ガラスと銅の TEC を知ることで、2D 材料の固有の TEC を抽出できます」と Zhong 氏は説明します。

気になる結果

彼らはいくつかの 2D 材料に対してこの分析を実行し、それらがすべて理論計算と一致することを発見しました。 しかし、研究者たちは予想外のことを発見しました。それは、2D 素材が、それらを構成する要素に基づいて階層化されていることです。 たとえば、モリブデンを含む 2D 材料は、タングステンを含むものよりも常に TEC が大きくなります。

研究者はさらに深く掘り下げ、この階層が電気陰性度として知られる基本的な原子特性によって引き起こされることを発見しました。 電気陰性度は、原子が結合するときに電子を引き寄せたり抽出したりする傾向を表します。 元素ごとに周期表に記載されています。

彼らは、2D 材料を形成する元素の電気陰性度の差が大きいほど、材料の熱膨張係数が小さくなることを発見しました。 エンジニアは、この方法を使用して、通常はスーパーコンピューターで処理する必要がある複雑な計算に頼るのではなく、任意の 2D 材料の TEC をすばやく推定できると、Zhong 氏は言います。

「エンジニアは、周期表を検索して、対応する材料の電気陰性度を取得し、それらを相関方程式に組み込むだけで、1 分以内に TEC の適切な推定値を得ることができます。 これは、エンジニアリング用途の材料を迅速に選択する上で非常に有望です」と Zhang 氏は言います。

今後、研究者は彼らの方法論をより多くの 2D 材料に適用し、おそらく TEC のデータベースを構築したいと考えています。 また、マイクロラマン分光法を使用して、複数の 2D 材料を組み合わせた異種材料の TEC を測定したいと考えています。 2D 材料の熱膨張は、バルク材料の熱膨張とは異なります。

この作品は、部分的に、マサチューセッツ工科大学とサザン科学技術大学の機械工学研究教育センター、材料研究科学工学センター、米国国立科学財団、および米国陸軍研究局によって資金提供されています。

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