<p><img src="https://info.compassedu.hk/sucai/content/1668954187180/1668954187180.jpg" width="808" height="538" /></p> <p>二維材料，僅由單層原子組成，可以比傳統(tǒng)材料更緊密地組合在一起，因此它們可以用于制造晶體管、太陽能電池、led和其他運行更快、性能更好的設備。</p> <p>&nbsp;</p> <p>阻礙下一代電子產品發(fā)展的一個問題是它們在使用時產生的熱量。傳統(tǒng)電子設備的溫度通?？蛇_80攝氏度左右，但二維設備中的材料在如此小的區(qū)域內堆積得如此密集，以至于設備的溫度可能會翻倍。溫度升高會損壞設備。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這個問題由于科學家沒有很好地理解二維材料在溫度上升時如何膨脹而變得更加復雜。由于這些材料非常薄且光學透明，它們的熱膨脹系數(shù)(TEC)&mdash;&mdash;當溫度升高時材料膨脹的趨勢&mdash;&mdash;幾乎不可能用標準方法測量。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;當人們測量一些大塊材料的熱膨脹系數(shù)時，他們使用科學尺或顯微鏡，因為對于大塊材料，你有測量它們的靈敏度。2D材料的挑戰(zhàn)在于我們無法真正看到它們，因此我們需要轉向另一種類型的尺來測量TEC，&rdquo;機械工程研究生楊忠(音譯)說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>鐘是一篇研究論文的聯(lián)合主要作者，該論文論證了這樣一種&ldquo;尺子&rdquo;。他們不是直接測量材料如何膨脹，而是用激光來跟蹤構成材料的原子的振動。在三種不同的表面或基材上測量一種二維材料，可以精確地提取其熱膨脹系數(shù)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>新的研究表明，這種方法是高度準確的，得到的結果與理論計算相符。該方法證實了二維材料的TECs范圍比之前認為的要窄得多。這些信息可以幫助工程師設計下一代電子產品。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;通過確定這一較窄的物理范圍，我們?yōu)楣こ處熢谠O計設備時選擇底部基板提供了很大的材料靈活性。他們不需要僅僅為了減輕熱應力而設計一種新的底部襯底。我們相信這對電子設備和包裝行業(yè)有非常重要的意義，&rdquo;聯(lián)合第一作者、前機械工程研究生、22歲博士張立南說，他現(xiàn)在是一名研究科學家。</p> <p>&nbsp;</p> <p>共同作者包括資深作者Evelyn N. Wang，福特工程教授和麻省理工學院機械工程系主任，以及來自麻省理工學院電氣工程與計算機科學系和中國深圳南方科技大學機械與能源工程系的其他人。這項研究今天發(fā)表在《科學進展》雜志上。</p> <p>&nbsp;</p> <p><strong><span class="h1">測量振動</span></strong></p> <p>&nbsp;</p> <p>因為二維材料非常小&mdash;&mdash;可能只有幾微米大小&mdash;&mdash;標準的工具沒有足夠的靈敏度來直接測量它們的膨脹。此外，這種材料非常薄，它們必須與硅或銅等基板結合。如果2D材料及其襯底具有不同的TECs，當溫度升高時，它們將以不同的方式膨脹，從而產生熱應力。</p> <p>&nbsp;</p> <p>例如，如果2D材料與TEC更高的基板結合，當設備被加熱時，基板將比2D材料膨脹更多，從而拉伸它。這使得測量二維材料的實際TEC變得困難，因為襯底影響其膨脹。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員通過關注組成2D材料的原子來克服這些問題。當一種材料被加熱時，它的原子以較低的頻率振動，并移動得更遠，這導致材料膨脹。他們使用一種叫做微拉曼光譜的技術來測量這些振動，這種技術包括用激光撞擊材料。振動的原子分散了激光的光，這種相互作用可以用來檢測它們的振動頻率。</p> <p>&nbsp;</p> <p>但當襯底膨脹或壓縮時，它會影響二維材料原子的振動方式。研究人員需要解耦這種基質效應，以專注于材料的內在特性。他們通過測量同一2D材料在三種不同基底上的振動頻率來做到這一點:具有高TEC的銅;熔融二氧化硅，具有低的TEC;還有布滿小孔的硅基板。由于二維材料懸浮在后者基板上的孔洞之上，他們可以對這些獨立材料的微小區(qū)域進行測量。</p> <p>&nbsp;</p> <p>然后，研究人員將每個襯底放在一個熱臺上，以精確控制溫度，加熱每個樣品，并進行微拉曼光譜分析。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;通過對三個樣品進行拉曼測量，我們可以提取出與襯底有關的溫度系數(shù)。使用這三種不同的基底，并了解熔融二氧化硅和銅的TEC，我們可以提取二維材料的固有TEC，&rdquo;鐘解釋道。</p> <p>&nbsp;</p> <p><strong><span class="h1">一個奇怪的結果</span></strong></p> <p>&nbsp;</p> <p>他們對幾種二維材料進行了分析，發(fā)現(xiàn)它們都符合理論計算。但研究人員發(fā)現(xiàn)了他們沒有預料到的事情:2D材料根據(jù)組成它們的元素劃分了層次。例如，含有鉬的2D材料的TEC總是比含有鎢的材料的TEC大。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員深入研究后發(fā)現(xiàn)，這種層次結構是由一種被稱為電負性的基本原子性質引起的。電負性描述了原子在成鍵時吸引或提取電子的傾向。它被列在元素周期表上。</p> <p>&nbsp;</p> <p>他們發(fā)現(xiàn)形成二維材料的元素的電負性差越大，材料的熱膨脹系數(shù)就越低。鐘說，工程師可以使用這種方法快速估計任何二維材料的TEC，而不是依賴于通常必須由超級計算機進行的復雜計算。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;工程師只需搜索元素周期表，得到相應材料的電負性，將它們代入我們的相關方程，在一分鐘內就可以對TEC有一個相當好的估計。這對于工程應用的快速材料選擇是非常有前途的。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>下一步，研究人員希望將他們的方法應用到更多的2D材料上，也許可以建立一個TECs數(shù)據(jù)庫。他們還想使用微拉曼光譜來測量混合了多種二維材料的非均勻材料的TECs。他們希望了解二維材料的熱膨脹不同于塊狀材料的潛在原因。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項工作部分由麻省理工學院和南方科技大學機械工程研究與教育中心、材料研究科學與工程中心、美國國家科學基金會和美國陸軍研究辦公室資助。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學態(tài)度觀點。</p> </blockquote>