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Los materiales bidimensionales, hechos de una sola capa de átomos, pueden empaquetarse más densamente que los materiales convencionales, por lo que podrían usarse para fabricar transistores, células solares, LED y otros dispositivos que funcionan más rápido y funcionan mejor.
Un problema que frena estos dispositivos electrónicos de próxima generación es el calor que generan cuando están en uso. La electrónica convencional normalmente alcanza alrededor de los 80 grados centígrados, pero los materiales en los dispositivos 2D son tan densos en un área tan pequeña que los dispositivos pueden calentarse el doble. Este aumento de temperatura puede dañar el dispositivo.
Este problema se ve agravado por el hecho de que los científicos no entienden completamente cómo se expanden los materiales 2D a medida que aumentan las temperaturas. Debido a que los materiales son tan delgados y ópticamente transparentes, su coeficiente de expansión térmica (TEC), la tendencia del material a expandirse a medida que aumentan las temperaturas, es casi imposible de medir utilizando enfoques estándar.
“Cuando las personas miden el coeficiente de expansión térmica de un material a granel, usan una regla científica o un microscopio porque con un material a granel tienes la sensibilidad para medirlos. El desafío con el material 2D es que realmente no podemos verlos, por lo que tenemos que recurrir a un tipo diferente de regla para medir TEC”, dice Yang Zhong, estudiante graduado en ingeniería mecánica.
Zhong es coautor principal de un artículo de investigación que demuestra tal «líder». En lugar de medir directamente cómo se expande el material, usan luz láser para rastrear las vibraciones de los átomos que componen el material. Tomar medidas de un material 2D en tres superficies o sustratos diferentes les permite extraer con precisión su coeficiente de expansión térmica.
El nuevo estudio demuestra que este método es muy preciso, obteniendo resultados que coinciden con los cálculos teóricos. El enfoque confirma que los TEC de materiales 2D se encuentran en un rango mucho más estrecho de lo que se pensaba anteriormente. Esta información podría ayudar a los ingenieros a diseñar componentes electrónicos de última generación.
“Al confirmar este rango físico más estrecho, brindamos a los ingenieros una gran flexibilidad de hardware para elegir el sustrato más bajo al diseñar un dispositivo. No necesitan diseñar un nuevo sustrato inferior solo para aliviar el estrés por calor. Creemos que esto tiene implicaciones muy importantes para la comunidad de dispositivos electrónicos y empaques”, dice el coautor principal y ex estudiante graduado de ingeniería mecánica Lenan Zhang SM ’18, PhD ’22, quien ahora es investigador.
Los coautores incluyen a la autora principal Evelyn N. Wang, profesora de ingeniería de Ford y directora del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, y otros del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática del MIT y del Departamento de Ingeniería Mecánica y Energía de la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur. en Shenzhen, China. La investigación se publica hoy en Los científicos progresan.
Medición de vibraciones
Debido a que los materiales 2D son tan pequeños, quizás solo unas pocas micras, las herramientas estándar no son lo suficientemente sensibles para medir directamente su expansión. Además, los materiales son tan delgados que deben unirse a un sustrato como el silicio o el cobre. Si el material 2D y su sustrato tienen diferentes TEC, se expandirán de manera diferente a medida que aumenten las temperaturas, lo que provocará estrés térmico.
Por ejemplo, si un material 2D se une a un sustrato con un TEC más alto, cuando se calienta el dispositivo, el sustrato se expande más que el material 2D, que lo estira. Esto dificulta medir el TEC real de un material 2D ya que el sustrato afecta su expansión.
Los investigadores superaron estos problemas centrándose en los átomos que componen el material 2D. Cuando se calienta un material, sus átomos vibran a una frecuencia más baja y se separan, lo que hace que el material se expanda. Miden estas vibraciones utilizando una técnica llamada espectroscopia micro-Raman, que consiste en golpear el material con un láser. Los átomos que vibran dispersan la luz láser y esta interacción se puede utilizar para detectar su frecuencia vibratoria.
Pero cuando el sustrato se expande o comprime, afecta la forma en que vibran los átomos en el material 2D. Los investigadores necesitaban desacoplar este efecto de sustrato para centrarse en las propiedades intrínsecas del material. Para ello, midieron la frecuencia vibratoria del mismo material 2D en tres sustratos diferentes: cobre, que tiene un alto TEC; sílice fundida, que tiene un TEC bajo; y un sustrato de silicio salpicado de pequeños agujeros. Dado que el material 2D se cierne sobre los agujeros en este último sustrato, pueden realizar mediciones en estas pequeñas áreas de material independiente.
Luego, los investigadores colocaron cada sustrato en una etapa térmica para controlar con precisión la temperatura, calentaron cada muestra y realizaron una espectroscopia micro-Raman.
“Al realizar mediciones Raman en las tres muestras, podemos extraer algo llamado coeficiente de temperatura que depende del sustrato. Al usar estos tres sustratos diferentes y conocer los TEC de sílice fundido y cobre, podemos extraer el TEC intrínseco del material 2D”, dice Zhong.
Un resultado curioso
Realizaron este análisis en varios materiales 2D y descubrieron que todos coincidían con los cálculos teóricos. Pero los investigadores vieron algo que no esperaban: los materiales 2D cayeron en una jerarquía basada en los elementos que los componen. Por ejemplo, un material 2D que contiene molibdeno siempre tiene un TEC más alto que uno que contiene tungsteno.
Los investigadores profundizaron y descubrieron que esta jerarquía es causada por una propiedad atómica fundamental conocida como electronegatividad. La electronegatividad describe la tendencia de los átomos a atraer o extraer electrones cuando se unen. Está listado en la tabla periódica para cada elemento.
Descubrieron que cuanto mayor sea la diferencia entre las electronegatividades de los elementos que forman un material 2D, menor será el coeficiente de expansión térmica del material. Un ingeniero podría usar este método para estimar rápidamente el TEC para cualquier material 2D, en lugar de depender de cálculos complejos que generalmente deben ser manejados por una supercomputadora, dice Zhong.
«Un ingeniero puede simplemente consultar la tabla periódica, obtener las electronegatividades de los materiales correspondientes, insertarlas en nuestra ecuación de correlación y, en un minuto, puede tener una estimación razonablemente buena del TEC. Eso es muy prometedor para la selección rápida de materiales para la ingeniería. aplicaciones”, dice Zhang.
En el futuro, los investigadores quieren aplicar su metodología a muchos otros materiales 2D, quizás creando una base de datos de TEC. También quieren utilizar la espectroscopia micro-Raman para medir los TEC de materiales heterogéneos, que combinan múltiples materiales 2D. Y esperan descubrir las razones subyacentes por las que la expansión térmica de los materiales 2D es diferente de la de los materiales a granel.
Este trabajo está financiado, en parte, por los Centros de Investigación y Educación en Ingeniería Mecánica del MIT y la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur, los Centros de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales, la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU.
