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Comment les matériaux « 2D » se dilatent

Les matériaux bidimensionnels, constitués d’une seule couche d’atomes, peuvent être regroupés de manière plus dense que les matériaux conventionnels, de sorte qu’ils pourraient être utilisés pour fabriquer des transistors, des cellules solaires, des LED et d’autres dispositifs qui fonctionnent plus rapidement et sont plus performants.

Un problème qui retient 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 dans une si petite zone 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 bien comment les matériaux 2D se dilatent lorsque les températures augmentent. Parce que les matériaux sont si minces et optiquement transparents, leur coefficient de dilatation thermique (TEC) – la tendance du matériau à se dilater lorsque les températures augmentent – est presque impossible à mesurer à l’aide d’approches 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. Le défi avec un matériau 2D est que nous ne pouvons pas vraiment les voir, donc nous devons nous tourner vers un autre type de règle pour mesurer le TEC », explique Yang Zhong, étudiant diplômé en génie mécanique.

Zhong est co-auteur principal d’un document de recherche qui démontre un tel « dirigeant ». Plutôt que de mesurer directement la façon dont le matériau se dilate, ils utilisent la lumière laser pour suivre les vibrations des atomes qui composent le matériau. Prendre des mesures d’un matériau 2D sur trois surfaces ou substrats différents leur permet d’extraire avec précision son coefficient de dilatation thermique.

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

“En confirmant cette plage physique plus étroite, nous donnons aux ingénieurs une grande flexibilité matérielle pour choisir le substrat inférieur lorsqu’ils conçoivent un appareil. Ils n’ont pas besoin de concevoir un nouveau substrat inférieur uniquement pour atténuer les contraintes thermiques. Nous pensons que cela a très implications importantes pour la communauté des appareils électroniques et des emballages », déclare le co-auteur principal et ancien étudiant diplômé en génie mécanique Lenan Zhang SM ’18, PhD ’22, qui est maintenant chercheur scientifique.

Les co-auteurs incluent l’auteur principal Evelyn N. Wang, professeur Ford d’ingénierie et chef du département de génie mécanique du MIT, ainsi que d’autres du département de génie électrique et informatique du MIT et du département de génie mécanique et énergétique du Université des sciences et technologies du sud à Shenzhen, Chine. La recherche est publiée dans Science Advances.

Mesure des vibrations

Parce que les matériaux 2D sont si petits – peut-être seulement quelques microns – les outils standard ne sont pas assez sensibles pour mesurer directement leur expansion. De plus, les matériaux sont si fins qu’ils doivent être collés à un substrat tel que le silicium ou le cuivre. Si le matériau 2D et son substrat ont des TEC différents, ils se dilateront différemment lorsque les températures augmenteront, ce qui provoquera un stress thermique.

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

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’éloignent, 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 le matériau avec un laser. Les atomes vibrants diffusent la lumière du laser et cette interaction peut être utilisée pour détecter leur fréquence de vibration.

Mais lorsque le substrat se dilate ou se comprime, cela a un impact sur la façon dont les atomes du matériau 2D vibrent. Les chercheurs devaient découpler cet effet de substrat pour se concentrer sur les propriétés intrinsèques du matériau. Pour ce faire, ils ont mesuré la fréquence vibratoire du 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 parsemé de minuscules trous. Étant donné que le matériau 2D plane au-dessus des trous de ce dernier substrat, ils peuvent effectuer des mesures sur ces minuscules zones de matériau autoportant.

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 les trois échantillons, nous pouvons extraire quelque chose appelé le coefficient de température qui dépend du substrat. En utilisant ces trois substrats différents, et connaissant les TEC de la silice fondue et du cuivre, nous pouvons extraire le TEC intrinsèque du 2D matériel », explique Zhong.

Un résultat curieux

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 sont tombés dans une hiérarchie basée sur les éléments qui les composent. Par exemple, un matériau 2D qui contient du molybdène a toujours un TEC supérieur à celui qui contient du tungstène.

Les chercheurs ont creusé plus profondément et ont appris que cette hiérarchie est causée par une propriété atomique fondamentale connue sous le nom d’électronégativité. L’électronégativité décrit la tendance des atomes à tirer ou à extraire des électrons lorsqu’ils se lient. Il est répertorié sur le tableau périodique pour chaque élément.

Ils ont constaté que plus la différence entre les électronégativités des éléments qui forment un matériau 2D est grande, plus le coefficient de dilatation thermique du matériau sera faible. Un ingénieur pourrait utiliser cette méthode pour estimer rapidement le TEC pour n’importe quel matériau 2D, plutôt que de s’appuyer sur des calculs complexes qui doivent généralement être traités par un supercalculateur, explique Zhong.

“Un ingénieur peut simplement rechercher dans le tableau périodique, obtenir les électronégativités des matériaux correspondants, les brancher à notre équation de corrélation et en une minute, il peut avoir une estimation raisonnablement bonne du TEC. C’est très prometteur pour une sélection rapide des matériaux pour les applications d’ingénierie. “, dit Zhang.

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

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