<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(yáng)能電池、led和其他運(yùn)行更快、性能更好的設(shè)備。</p> <p>&nbsp;</p> <p>阻礙下一代電子產(chǎn)品發(fā)展的一個(gè)問(wèn)題是它們?cè)谑褂脮r(shí)產(chǎn)生的熱量。傳統(tǒng)電子設(shè)備的溫度通?？蛇_(dá)80攝氏度左右，但二維設(shè)備中的材料在如此小的區(qū)域內(nèi)堆積得如此密集，以至于設(shè)備的溫度可能會(huì)翻倍。溫度升高會(huì)損壞設(shè)備。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這個(gè)問(wèn)題由于科學(xué)家沒(méi)有很好地理解二維材料在溫度上升時(shí)如何膨脹而變得更加復(fù)雜。由于這些材料非常薄且光學(xué)透明，它們的熱膨脹系數(shù)(TEC)&mdash;&mdash;當(dāng)溫度升高時(shí)材料膨脹的趨勢(shì)&mdash;&mdash;幾乎不可能用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)量。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;當(dāng)人們測(cè)量一些大塊材料的熱膨脹系數(shù)時(shí)，他們使用科學(xué)尺或顯微鏡，因?yàn)閷?duì)于大塊材料，你有測(cè)量它們的靈敏度。2D材料的挑戰(zhàn)在于我們無(wú)法真正看到它們，因此我們需要轉(zhuǎn)向另一種類型的尺來(lái)測(cè)量TEC，&rdquo;機(jī)械工程研究生楊忠(音譯)說(shuō)。</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(cè)量材料如何膨脹，而是用激光來(lái)跟蹤構(gòu)成材料的原子的振動(dòng)。在三種不同的表面或基材上測(cè)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(zhǔn)確的，得到的結(jié)果與理論計(jì)算相符。該方法證實(shí)了二維材料的TECs范圍比之前認(rèn)為的要窄得多。這些信息可以幫助工程師設(shè)計(jì)下一代電子產(chǎn)品。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;通過(guò)確定這一較窄的物理范圍，我們?yōu)楣こ處熢谠O(shè)計(jì)設(shè)備時(shí)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(yīng)力而設(shè)計(jì)一種新的底部襯底。我們相信這對(duì)電子設(shè)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(jī)械工程研究生、22歲博士張立南說(shuō)，他現(xiàn)在是一名研究科學(xué)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(xué)院機(jī)械工程系主任，以及來(lái)自麻省理工學(xué)院電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系和中國(guó)深圳南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系的其他人。這項(xiàng)研究今天發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。</p> <p>&nbsp;</p> <p><strong><span class="h1">測(cè)量振動(dòng)</span></strong></p> <p>&nbsp;</p> <p>因?yàn)槎S材料非常小&mdash;&mdash;可能只有幾微米大小&mdash;&mdash;標(biāo)準(zhǔn)的工具沒(méi)有足夠的靈敏度來(lái)直接測(cè)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(jié)合。如果2D材料及其襯底具有不同的TECs，當(dāng)溫度升高時(shí)，它們將以不同的方式膨脹，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。</p> <p>&nbsp;</p> <p>例如，如果2D材料與TEC更高的基板結(jié)合，當(dāng)設(shè)備被加熱時(shí)，基板將比2D材料膨脹更多，從而拉伸它。這使得測(cè)量二維材料的實(shí)際TEC變得困難，因?yàn)橐r底影響其膨脹。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員通過(guò)關(guān)注組成2D材料的原子來(lái)克服這些問(wèn)題。當(dāng)一種材料被加熱時(shí)，它的原子以較低的頻率振動(dòng)，并移動(dòng)得更遠(yuǎn)，這導(dǎo)致材料膨脹。他們使用一種叫做微拉曼光譜的技術(shù)來(lái)測(cè)量這些振動(dòng)，這種技術(shù)包括用激光撞擊材料。振動(dòng)的原子分散了激光的光，這種相互作用可以用來(lái)檢測(cè)它們的振動(dòng)頻率。</p> <p>&nbsp;</p> <p>但當(dāng)襯底膨脹或壓縮時(shí)，它會(huì)影響二維材料原子的振動(dòng)方式。研究人員需要解耦這種基質(zhì)效應(yīng)，以專注于材料的內(nèi)在特性。他們通過(guò)測(cè)量同一2D材料在三種不同基底上的振動(dòng)頻率來(lái)做到這一點(diǎn):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(duì)這些獨(dú)立材料的微小區(qū)域進(jìn)行測(cè)量。</p> <p>&nbsp;</p> <p>然后，研究人員將每個(gè)襯底放在一個(gè)熱臺(tái)上，以精確控制溫度，加熱每個(gè)樣品，并進(jìn)行微拉曼光譜分析。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;通過(guò)對(duì)三個(gè)樣品進(jìn)行拉曼測(cè)量，我們可以提取出與襯底有關(guān)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(gè)奇怪的結(jié)果</span></strong></p> <p>&nbsp;</p> <p>他們對(duì)幾種二維材料進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)它們都符合理論計(jì)算。但研究人員發(fā)現(xiàn)了他們沒(méi)有預(yù)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(jié)構(gòu)是由一種被稱為電負(fù)性的基本原子性質(zhì)引起的。電負(fù)性描述了原子在成鍵時(shí)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(fù)性差越大，材料的熱膨脹系數(shù)就越低。鐘說(shuō)，工程師可以使用這種方法快速估計(jì)任何二維材料的TEC，而不是依賴于通常必須由超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行的復(fù)雜計(jì)算。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;工程師只需搜索元素周期表，得到相應(yīng)材料的電負(fù)性，將它們代入我們的相關(guān)方程，在一分鐘內(nèi)就可以對(duì)TEC有一個(gè)相當(dāng)好的估計(jì)。這對(duì)于工程應(yīng)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(yīng)用到更多的2D材料上，也許可以建立一個(gè)TECs數(shù)據(jù)庫(kù)。他們還想使用微拉曼光譜來(lái)測(cè)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(xiàng)工作部分由麻省理工學(xué)院和南方科技大學(xué)機(jī)械工程研究與教育中心、材料研究科學(xué)與工程中心、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)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(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。</p> </blockquote>