Измерение температуры двумерных материалов на атомном уровне

Команда исследователей из Университета Иллинойса в Чикаго описала новый метод для точного измерения поведения и температуры новых двумерных (2D) материалов, которые позволят инженерам создавать меньшие и быстрые микропроцессоры. Их результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Роберт Кли, профессор физики. (Image credit: Jenny Fontaine)

Недавно разработанные 2D-материалы, такие как графен, который имеет один слой атомов углерода, могут заменить традиционные микропроцессорные чипы на основе кремния, которые достигли границы того, насколько малы они могут получить. Но инженерам мешала неспособность измерить, как температура повлияет на эти новые материалы, все вместе известные как дихалькогениды переходных металлов или ТВД.

Используя сканирующую электронную электронную микроскопию, интегрированную со спектроскопией, исследователи из МСЖД смогли измерить температуру многочисленных 2D-материалов на атомном уровне, проложив путь для значительно меньших и быстрых микропроцессоров. Они также смогли применить свой метод для измерения того, как 2D-материалы будут расширяться при нагревании.

Микропроцессорные чипы в компьютерах и другой электронике становятся очень жаркими, и нам нужно иметь возможность измерять не только то, как они могут нагреваться, но и то, насколько материал будет расширяться при нагревании. Знание того, как расширяется материал, важно, потому что, если материал слишком сильно расширяется, соединения с другими материалами, такими как металлические провода, могут сломаться, а чип бесполезен.

Роберт Кли, профессор физики в МСЖД

Традиционные способы измерения температуры не работают на мельчайших слоях 2D-материалов, которые будут использоваться в микропроцессорах, поскольку они слишком малы. Оптические измерения температуры, которые используют отраженный лазерный свет для измерения температуры, не могут использоваться на чипах TMD, поскольку они не имеют достаточной площади поверхности для размещения лазерного луча.

«Нам нужно понять, как накапливается тепло и как оно передается на интерфейсе между двумя материалами, чтобы построить эффективные микропроцессоры, которые работают », – сказал Кли.

Кли и его коллеги придумали метод измерения температуры ТВД на атомном уровне с помощью сканирующей переходной электронной микроскопии, в которой используется луч электронов, передаваемых через образец для создания изображения.

«Используя эту технику, мы можем обнулить и измерить вибрацию атомов и электронов, которая по существу является температурой одного атома в двумерном материале» сказал Кли.

]

Температура является мерой средней кинетической энергии случайных движений частиц или атомов, составляющих материал. По мере того как материал становится горячим, частота атомных колебаний становится выше. При абсолютном нуле, самой низкой теоретической температуре, все атомное движение прекращается.

Кли и его коллеги нагрели микроскопические «хлопья» различных ТВД в камере сканирующего просвечивающего электронного микроскопа до разных температур, а затем нацелили электронный луч микроскопа на материал. Использование метода, называемого электронной спектроскопии потерь энергии; они могли бы измерить рассеяние электронов от 2D-материалов, вызванных электронным пучком. Модели рассеяния были введены в компьютерную модель, которая переводила их в измерения колебаний атомов в материале – просто говоря, температуру материала на атомном уровне.

«С помощью этой новой методики мы можем измерить температуру материала с разрешением, почти в 10 раз превышающим обычные методы», сказал Кли. « Благодаря этому новому подходу мы можем разработать лучшие электронные устройства, которые будут менее подвержены перегреву и потребляют меньше энергии».

Метод также может быть использован для прогнозирования того, как будет расширяться материал при нагреве и сколько сокращений при охлаждении, что поможет инженерам построить чипы, которые менее подвержены разрушению в точках, где один материал касается другого, например, когда Двухслойный чип материала контактирует с проволокой.

Никакой другой метод не может измерить этот эффект при пространственном разрешении, о котором мы сообщаем. Это позволит инженерам проектировать устройства, которые могут управлять изменениями температуры между двумя различными материалами на уровне наноразмера.

Роберт Кли, профессор физики в МСЖД

Сюань Ху, Поя Ясаи, Якоб Йокисаари, Сердар Огут и Амин Салехи-Ходжин из Иллинойского университета в Чикаго являются соавторами статьи

Это исследование было поддержано грантом EFRI 2-DARE 1542864 от Национального научного фонда.

Source link