2D材质如何扩展

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运行速度更快、性能更好的晶体管、太阳能电池、LED和其他设备。

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。传统电子产品通常达到约80摄氏度，但2D设备中的材料在如此小的区域内密集，以至于设备的温度可以提高一倍。这种温度升高可能会损坏设备。

由于科学家对温度升高时2D材料如何膨胀没有很好的了解，这个问题变得更加复杂。由于这些材料非常薄且光学透明，因此它们的热膨胀系数(TEC) - 温度升高时材料膨胀的趋势 - 几乎不可能使用标准方法进行测量。

“当人们测量某些散装材料的热膨胀系数时，他们会使用科学尺或显微镜，因为对于散装材料，您可以灵敏地测量它们。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2D材料，使他们能够准确地提取其热膨胀系数。

新的研究表明，这种方法非常准确，取得了与理论计算相匹配的结果。该方法证实，2D材料的TEC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。

“通过确认这种更窄的物理范围，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。他们不需要仅仅为了减轻热应力而设计新的底部基板。我们相信这对电子设备和封装界具有非常重要的影响，“共同主要作者和前机械工程研究生Lenan Zhang SM ' 18，PhD ' 22说，他现在是一名研究科学家。

合著者包括资深作者Evelyn N. Wang，福特工程教授和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南方科技大学机械与能源工程系的其他人。该研究发表在《科学进展》上。

测量振动

由于2D材料非常小(可能只有几微米)，因此标准工具不够灵敏，无法直接测量其膨胀。此外，这些材料非常薄，必须粘合到硅或铜等基板上。如果2D材料及其基材具有不同的TEC，则当温度升高时，它们会以不同的方式膨胀，从而导致热应力。

例如，如果将2D材料粘合到具有较高TEC的基板上，则当设备被加热时，基板将比2D材料膨胀得更多，从而拉伸它。这使得测量2D材料的实际TEC变得困难，因为基板会影响其膨胀。

研究人员通过关注构成2D材料的原子来克服这些问题。当材料被加热时，其原子以较低的频率振动并远离，这会导致材料膨胀。他们使用一种称为微拉曼光谱的技术来测量这些振动，该技术涉及用激光撞击材料。振动原子散射激光的光，这种相互作用可用于检测它们的振动频率。

但是随着基板膨胀或压缩，它会影响2D材料的原子振动方式。研究人员需要将这种基底效应解耦，以将材料的内在特性归零。他们通过在三种不同的基板上测量相同 2D 材料的振动频率来做到这一点：铜，具有高 TEC;熔融石英，TEC低;以及点缀着小孔的硅衬底。由于2D材料悬停在后一种基板上的孔上方，因此它们可以对独立材料的这些微小区域进行测量。

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，并进行微拉曼光谱。

“通过对三个样品进行拉曼测量，我们可以提取出与基底相关的温度系数。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材料的固有TEC，“Zhong解释说。

一个奇怪的结果

他们对几种2D材料进行了分析，发现它们都符合理论计算。但研究人员看到了他们意想不到的事情：2D材料根据构成它们的元素分为一个层次结构。例如，含有钼的2D材料总是比含有钨的2D材料具有更大的TEC。

研究人员深入研究并了解到，这种层次结构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结合时拉动或提取电子的趋势。它列在每个元素的元素周期表上。

他们发现，形成2D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计任何2D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。

“工程师只需搜索元素周期表，获取相应材料的电负性，将它们代入我们的相关方程，就可以在一分钟内对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希望，“张说。

展望未来，研究人员希望将他们的方法应用于更多的2D材料，也许可以建立一个TEC数据库。他们还希望使用微拉曼光谱来测量结合多种2D材料的异质材料的TECs。他们希望了解2D材料的热膨胀与散装材料的热膨胀不同的根本原因。

这项工作部分由麻省理工学院和南方科技大学的机械工程研究与教育中心，材料研究科学与工程中心，美国国家科学基金会和美国陆军研究办公室资助。