Første måling af molybdæn disulfider varmeledningsevne

(Phys.org) —Angela Hight Walker fra PML's Semiconductor and Dimensional Metrology Division og kolleger er lykkedes med at måle en tidligere ukendt, men væsentlig egenskab-termisk ledningsevne-af et ultratyndt materiale, der forventes at spille en stor rolle i hurtig- fremvoksende område inden for nanoelektronik.

Forbindelsen er molybdendisulfid (MoS2, eller "moly" for kort), et af de såkaldte 2D-materialer-materialer, hvor én dimension kun er få nanometer tyk. Det første og mest berømte medlem af denne klasse er grafen, den kyllingetrådformede vifte af kulstofatomer isoleret for kun ti år siden. Denne præstation var grundlaget for Nobelprisen i fysik i 2010. Sådanne materialer er af stadig mere hastende interesse for forskere og industrien til brug i avancerede elektroniske apparatstrukturer med funktionsdimensioner målt i nanometer (milliarder af en meter), der kan læse, skrive, og gemme data på en helt anden måde end konventionelle transistorer.

En række 2D -materialer "udviser egenskaber, der kan muliggøre nye hukommelsesenheder, "ifølge den netop udgivne internationale teknologikøreplan for halvledere, branchens vejledning til fremtidig innovation. Moly, et stof, der består af skiftevis lag af molybdæn og svovl, hver kun et atom tykt, viser løfte om datalagring miniaturisering ud over de nuværende niveauer af flash-hukommelse. Men indtil for nylig en af ​​molys nøgleegenskaber var aldrig blevet målt.

"På det tidspunkt, vi begyndte vores studie, lidt var kendt om dette materiales termiske egenskaber, "Hight Walker siger, "og alligevel er denne information afgørende. Måling af varmeledningsevne er et absolut kritisk trin i evalueringen af ​​et materiale til applikationer inden for elektronik - eller andre steder, for den sags skyld."

I en publikation tidligere på året, teamet rapporterede de første målinger af varmeledningsevne i moly monolag - ikke kun med prøver understøttet på substrater som safir, eller interagerer med elektriske isolatorer såsom hafniumoxid, men på isolerede moleprøver suspenderet i rummet over åbne områder omkring 1,2 mikrometer brede og dermed upåvirket af de termiske egenskaber af kontaktmaterialerne.

"Hvad gør dette arbejde særligt vigtigt, "siger Hight Walker fra Nanoelectronics Group, "er, at vi nu virkelig er i stand til at undersøge materialets iboende fysiske egenskaber. Videnskabeligt, det er meget spændende. "

Holdet brugte en teknik kaldet Raman -spektroskopi, hvilket involverer at skinne monokromatisk laserlys på den atomtynde moly -prøve og detektere det spredte lys. Frekvensen af ​​det spredte lys afhænger af den måde, materialet strækker sig og vibrerer på, og under billeddannelse påvirker temperaturen disse vibrationer.

Gruppen undersøger virkningen af ​​temperatur på to måder:en ved opvarmning af prøveomgivelserne, og en ved at øge lasereffekten på prøven. Forskerne var i stand til at bestemme, at moly er omkring 100 gange mindre effektiv til at lede varme end grafen, men at dens termiske respons kan modelleres ganske godt.

De nye målinger giver det første omfattende kig på, hvordan moly påvirkes af temperaturstigning forårsaget af elektrisk strøm, lys, eller andre kilder. Resultaterne kan fremskynde brugen af ​​moly - alene eller i kombination med andre 2D -materialer - i nye elektroniske enheder, eller andre forventede anvendelser såsom vandspaltning til brintproduktion og forbedrede elektroder til lithium-ion-batterier. "Ved at forstå, hvad dens egenskaber er, vi kan matche det med applikationer for at udnytte materialets vidunder, "Siger Hight Walker.

En bred vifte af applikationer overvejes. "Selvom todimensionale (2D) overgangsmetalldichalcogenider (TMD) er blevet undersøgt i årtier, de seneste fremskridt inden for karakterisering af nanoskala materialer og fabrikation af enheder har tiltrukket betydelig opmærksomhed i halvlederindustrien på grund af nye muligheder for 2D elektroniske og optoelektroniske enheder, "siger Gennadi Bersuker, Stipendiat hos SEMATECH.

"Med en række attraktive egenskaber som tilstedeværelsen af ​​et båndgab og høj termisk og mekanisk stabilitet, TMD-materialer har åbnet nye muligheder for en lang række applikationer, herunder laveffekt digital og fleksibel elektronik, sensorer, solceller, og spintronics. "

Samarbejdspartnere om projektet omfattede forskere fra Notre Dame og Towson University samt Ecole Polytechnique Federal de Lausanne i Schweiz, som leverede MoS2-prøver af ekstrem høj kvalitet. Arbejdet blev udført på PML -laboratorier i Gaithersburg, MD, som har det sofistikerede udstyr og den nødvendige instrumentering til at foretage præcisionsmålingerne.