Måling af temperaturen på todimensionale materialer på atomniveau

Forskere ved University of Illinois i Chicago beskriver en ny teknik til præcist at måle temperaturen og opførslen af ​​nye todimensionale materialer, der gør det muligt for ingeniører at designe mindre og hurtigere mikroprocessorer. Deres resultater er rapporteret i journalen Fysisk gennemgangsbreve .

Nyudviklede todimensionale materialer, såsom grafen - som består af et enkelt lag carbonatomer - har potentiale til at erstatte traditionelle mikroprocessorchips baseret på silicium, som har nået grænsen for hvor små de kan blive. Men ingeniører er blevet dæmpet af manglende evne til at måle, hvordan temperaturen vil påvirke disse nye materialer, samlet kendt som overgangsmetaldichalcogenider, eller TMD'er.

Ved hjælp af scanningstransmissionselektronmikroskopi kombineret med spektroskopi, forskere ved UIC var i stand til at måle temperaturen på flere todimensionelle materialer på atomniveau, baner vejen for meget mindre og hurtigere mikroprocessorer. De var også i stand til at bruge deres teknik til at måle, hvordan de todimensionelle materialer ville ekspandere ved opvarmning.

"Mikroprocessorchips i computere og anden elektronik bliver meget varme, og vi skal være i stand til ikke kun at måle, hvor varme de kan blive, men hvor meget materialet vil ekspandere ved opvarmning, "sagde Robert Klie, professor i fysik ved UIC og tilsvarende forfatter til papiret. "At vide, hvordan et materiale vil ekspandere, er vigtigt, for hvis et materiale ekspanderer for meget, forbindelser med andre materialer, såsom metaltråde, kan gå i stykker, og chippen er ubrugelig. "

Traditionelle måder at måle temperaturen virker ikke på små flager af todimensionale materialer, der ville blive brugt i mikroprocessorer, fordi de bare er for små. Optiske temperaturmålinger, som bruger et reflekteret laserlys til at måle temperatur, kan ikke bruges på TMD -chips, fordi de ikke har nok overfladeareal til at rumme laserstrålen.

"Vi er nødt til at forstå, hvordan varme opbygges, og hvordan det overføres ved grænsefladen mellem to materialer for at bygge effektive mikroprocessorer, der fungerer, sagde Klie.

Klie og hans kolleger udtænkte en måde at tage temperaturmålinger af TMD'er på atomeniveau ved hjælp af scanningovergangselektronmikroskopi, som bruger en elektronstråle transmitteret gennem en prøve til at danne et billede.

"Ved hjælp af denne teknik, vi kan nulstille og måle vibrationer af atomer og elektroner, som i det væsentlige er temperaturen af ​​et enkelt atom i et todimensionalt materiale, "sagde Klie. Temperatur er et mål for den gennemsnitlige kinetiske energi af partiklernes tilfældige bevægelser, eller atomer, der udgør et materiale. Når et materiale bliver varmere, frekvensen af ​​atomvibrationen bliver højere. Ved absolut nul, den laveste teoretiske temperatur, al atomisk bevægelse stopper.

Klie og hans kolleger opvarmede mikroskopiske "flager" af forskellige TMD'er inde i kammeret i et scannende transmissionselektronmikroskop til forskellige temperaturer og rettede derefter mikroskopets elektronstråle mod materialet. Ved hjælp af en teknik kaldet elektronenergitabspektroskopi, de var i stand til at måle spredningen af ​​elektroner fra de todimensionelle materialer forårsaget af elektronstrålen. Spredningsmønstrene blev indført i en computermodel, der oversatte dem til målinger af atomernes vibrationer i materialet - med andre ord, materialets temperatur på atomniveau.

"Med denne nye teknik, vi kan måle temperaturen på et materiale med en opløsning, der er næsten 10 gange bedre end konventionelle metoder, "sagde Klie." Med denne nye tilgang, vi kan designe bedre elektroniske enheder, der vil være mindre tilbøjelige til overophedning og forbruge mindre strøm. "

Teknikken kan også bruges til at forudsige, hvor meget materialer der vil ekspandere ved opvarmning og sammentrækning ved afkøling, hvilket vil hjælpe ingeniører med at bygge chips, der er mindre tilbøjelige til at bryde på punkter, hvor et materiale rører et andet, såsom når en todimensionel materialechip kommer i kontakt med en ledning.

"Ingen anden metode kan måle denne effekt ved den rumlige opløsning, vi rapporterer, "sagde Klie." Dette vil give ingeniører mulighed for at designe enheder, der kan styre temperaturændringer mellem to forskellige materialer på nanoskala-niveau. "