帮助二维材料膨胀的技术

二维材料只由一层原子组成，比传统材料更密集地排列在一起，因此它们可以用来制造晶体管、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。传统电子设备的温度通常在80°C左右，但2D设备中的材料在如此小的区域内密集地堆积，以至于设备的温度可能会增加一倍。温度升高会损坏设备。

科学家们并没有很好地理解二维材料在温度上升时是如何膨胀的，这使得这个问题更加复杂。由于这些材料非常薄且光学透明，它们的热膨胀系数(TEC)——当温度升高时材料膨胀的趋势——几乎不可能用标准方法测量。

“当人们测量一些大块材料的热膨胀系数时，他们使用科学尺或显微镜，因为对于大块材料，你有测量它们的灵敏度。2D材料的挑战在于我们无法真正看到它们，因此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(音译)说。

钟是一篇研究论文的联合主要作者，该论文证明了这样一个“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组成材料的原子的振动。在三种不同的表面或基材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。

的研究结果表明，该方法精度高，计算结果与理论计算相符。该方法证实了二维材料的TECs范围比以前认为的要窄得多。这些信息可以帮助工程师设计下一代电子产品。

“通过确认这一较窄的物理范围，我们为工程师在设计设备时选择底层基板提供了很大的材料灵活性。他们不需要仅仅为了减轻热应力而设计新的底层衬底。我们相信这对电子设备和包装社区具有非常重要的意义，”联合第一作者和前机械工程研究生Lenan Zhang SM ' 18，博士' 22，现在是一名研究科学家。

合著者包括福特工程教授、麻省理工学院机械工程系主任、资深作者Evelyn N. Wang，以及来自麻省理工学院电气工程与计算机科学系和中国深圳南方科技大学机械与能源工程系的其他人。这项研究发表在科学的进步．

测量振动

由于2D材料非常小——可能只有几微米大小——标准工具不够灵敏，无法直接测量它们的膨胀。此外，这种材料非常薄，必须与硅或铜等衬底结合。如果2D材料及其衬底具有不同的TECs，当温度升高时，它们会以不同的方式膨胀，从而引起热应力。

例如，如果2D材料与具有更高TEC的基板结合，当设备被加热时，基板将比2D材料膨胀得更多，从而拉伸它。这使得测量二维材料的实际TEC变得困难，因为衬底会影响其膨胀。

研究人员通过专注于组成二维材料的原子来克服这些问题。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。他们使用一种叫做微拉曼光谱的技术来测量这些振动，这种技术包括用激光撞击材料。振动的原子会散射激光，这种相互作用可以用来检测它们的振动频率。

然而，当衬底膨胀或压缩时，它会影响二维材料的原子振动。研究人员需要解耦这种基底效应，以专注于材料的内在特性。他们通过测量相同二维材料在三种不同基底上的振动频率来做到这一点:铜，具有高TEC;熔融二氧化硅，具有低TEC;还有布满小孔的硅衬底。由于二维材料悬浮在后者基板上的孔上方，他们可以对这些独立材料的微小区域进行测量。

然后，研究人员将每个基底放在热台上，以精确控制温度，加热每个样品，并进行微拉曼光谱分析。

“通过对三个样品进行拉曼测量，我们可以提取出与衬底相关的温度系数。使用这三种不同的衬底，并了解熔融二氧化硅和铜的TEC，我们可以提取二维材料的固有TEC。”

一个奇怪的结果

他们对几种二维材料进行了分析，发现它们都符合理论计算。但研究人员发现了一些他们没有预料到的事情:二维材料根据组成它们的元素划分为层次结构。例如，含有钼的2D材料总是比含有钨的材料具有更大的TEC。

研究人员深入研究后发现，这种层次结构是由一种被称为电负性的基本原子性质引起的。电负性描述了原子成键时吸引或提取电子的倾向。它列在元素周期表上。

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

“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，一分钟内就可以很好地估计TEC。这对于工程应用中的快速材料选择非常有前景。”

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，也许可以建立一个TECs数据库。他们还想使用微拉曼光谱来测量异质材料的TECs，这种材料结合了多种2D材料。他们希望了解二维材料的热膨胀不同于块状材料的潜在原因。

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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