新技术准确测量二维材料在加热时如何膨胀

仅由单层原子组成的二维材料可以比传统材料更密集地堆积在一起，因此它们可用于制造晶体管、太阳能电池、LED 和其他运行速度更快、性能更好的设备。

阻碍这些下一代电子产品的一个问题是它们在使用时产生的热量。传统电子产品的温度通常会达到 80 摄氏度左右，但二维设备中的材料在如此小的区域内堆积得如此密集，以至于设备的温度可能会高出一倍。这种温度升高会损坏设备。

由于科学家对二维材料在温度升高时如何膨胀没有很好的理解，这个问题变得更加复杂。由于这些材料非常薄且光学透明，因此几乎不可能使用标准方法测量它们的热膨胀系数 (TEC)(温度升高时材料膨胀的趋势)。

“当人们测量某些散装材料的热膨胀系数时，他们会使用科学尺子或显微镜，因为对于散装材料，您具有测量它们的灵敏度。二维材料的挑战在于我们无法真正看到它们，所以我们需要转向另一种类型的尺子来测量 TEC，”机械工程研究生杨忠说。

钟是一篇研究论文的共同主要作者，该论文展示了这样一个“统治者”。他们不是直接测量材料如何膨胀，而是使用激光来跟踪构成材料的原子的振动。在三个不同的表面或基板上测量一种二维材料，使他们能够准确地提取其热膨胀系数。

新研究表明，这种方法非常准确，取得了与理论计算相符的结果。该方法证实 2D 材料的 TEC 落在比以前认为的更窄的范围内。这些信息可以帮助工程师设计下一代电子产品。

“通过确认这个更窄的物理范围，我们为工程师在设计设备时选择底部基板提供了很大的材料灵活性。他们不需要设计新的底部基板来减轻热应力。我们相信这有很大的帮助对电子设备和包装界的重要影响，”共同主要作者和前机械工程研究生 Lenan Zhang SM '18 博士说。'22，现在是一名研究科学家。

合著者包括资深作者 Evelyn N. Wang，福特工程学教授兼麻省理工学院机械工程系主任，以及麻省理工学院电气工程与计算机科学系和麻省理工学院机械与能源工程系的其他人南方科技大学位于中国深圳。该研究发表在《科学进展》上。

测量振动

由于二维材料非常小——可能只有几微米——标准工具的灵敏度不足以直接测量它们的膨胀。此外，这些材料非常薄，必须粘合到硅或铜等基板上。如果二维材料及其基底具有不同的 TEC，则它们在温度升高时会发生不同的膨胀，从而导致热应力。

例如，如果将 2D 材料粘合到具有更高 TEC 的基板上，当设备被加热时，基板将比 2D 材料膨胀得更多，从而拉伸它。这使得难以测量二维材料的实际 TEC，因为基材会影响其膨胀。

研究人员通过关注构成二维材料的原子克服了这些问题。当一种材料被加热时，它的原子以较低的频率振动并移动得更远，这导致材料膨胀。他们使用一种称为微拉曼光谱的技术测量这些振动，该技术涉及用激光撞击材料。振动的原子散射激光，这种相互作用可用于检测它们的振动频率。

但随着基板膨胀或压缩，它会影响二维材料原子的振动方式。研究人员需要在材料的固有特性上将这种基板效应解耦为零。他们通过测量三种不同基材上相同二维材料的振动频率来做到这一点：铜，具有高 TEC;熔融石英，具有低 TEC;和一个点缀着小孔的硅基板。由于二维材料悬停在后者基板上的孔上方，因此他们可以对这些独立材料的微小区域进行测量。

然后，研究人员将每个基板放在热台上以精确控制温度，加热每个样品，并进行显微拉曼光谱。

“通过对三个样品进行拉曼测量，我们可以提取与基板相关的称为温度系数的东西。使用这三种不同的基板，并了解熔融石英和铜的 TEC，我们可以提取 2D 的固有 TEC材料，”钟解释道。

一个奇怪的结果

他们对几种二维材料进行了这种分析，发现它们都与理论计算相符。但研究人员看到了他们意想不到的事情：二维材料根据构成它们的元素分为一个层次结构。例如，含钼的二维材料总是比含钨的二维材料具有更高的 TEC。

研究人员深入挖掘并了解到，这种等级是由称为电负性的基本原子特性引起的。电负性描述了原子在键合时拉动或提取电子的趋势。它列在每个元素的周期表中。

他们发现，构成二维材料的元素的电负性差异越大，材料的热膨胀系数就越低。Zhong 说，工程师可以使用这种方法快速估算任何二维材料的 TEC，而不是依赖通常必须由超级计算机处理的复杂计算。

“工程师只需搜索元素周期表，得到相应材料的电负性，将它们代入我们的相关方程式，一分钟内他们就可以对 TEC 进行相当好的估计。这对于工程应用的快速材料选择非常有前途”张说。

展望未来，研究人员希望将他们的方法应用于更多的二维材料，或许可以建立一个 TEC 数据库。他们还想使用显微拉曼光谱来测量结合了多种二维材料的异质材料的 TEC。他们希望了解二维材料热膨胀不同于块状材料的根本原因。