Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Chicago beschrijven een nieuwe techniek voor het nauwkeurig meten van de temperatuur en het gedrag van nieuwe tweedimensionale materialen waarmee ingenieurs kleinere en snellere microprocessors kunnen ontwerpen. Hun bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Nieuw ontwikkelde tweedimensionale materialen, zoals grafeen, dat uit een enkele laag koolstofatomen bestaat, hebben het potentieel om traditionele microprocessing-chips op basis van silicium te vervangen, die de grens hebben bereikt van hoe klein ze kunnen worden. Maar ingenieurs zijn gedwarsboomd door het onvermogen om te meten hoe temperatuur deze nieuwe materialen zal beïnvloeden, gezamenlijk bekend als overgangsmetaal dichalcogeniden, of TMD's.

Met behulp van scanning transmissie-elektronenmicroscopie gecombineerd met spectroscopie, onderzoekers van UIC konden de temperatuur van verschillende tweedimensionale materialen op atomair niveau meten, de weg vrijmaakt voor veel kleinere en snellere microprocessors. Ze konden hun techniek ook gebruiken om te meten hoe de tweedimensionale materialen zouden uitzetten bij verhitting.

"Microprocessing-chips in computers en andere elektronica worden erg heet, en we moeten niet alleen kunnen meten hoe heet ze kunnen worden, maar hoeveel het materiaal uitzet bij verhitting, " zei Robert Klie, hoogleraar natuurkunde aan de UIC en corresponderende auteur van het artikel. "Weten hoe een materiaal zal uitzetten is belangrijk, want als een materiaal te veel uitzet, verbindingen met andere materialen, zoals metalen draden, kan breken en de chip is nutteloos."

Traditionele manieren om temperatuur te meten werken niet op minuscule schilfers van tweedimensionale materialen die in microprocessors zouden worden gebruikt, omdat ze gewoon te klein zijn. Optische temperatuurmetingen, die een gereflecteerd laserlicht gebruiken om de temperatuur te meten, kunnen niet worden gebruikt op TMD-chips omdat ze niet genoeg oppervlak hebben om de laserstraal op te vangen.

"We moeten begrijpen hoe warmte zich opbouwt en hoe het wordt overgedragen op het grensvlak tussen twee materialen om efficiënte microprocessors te bouwen die werken, ' zei Klie.

Klie en zijn collega's bedachten een manier om temperatuurmetingen van TMD's op atomair niveau te doen met behulp van scanning transitie-elektronenmicroscopie, die een elektronenbundel gebruikt die door een monster wordt doorgelaten om een ​​beeld te vormen.

"Door deze techniek te gebruiken, we kunnen de trilling van atomen en elektronen op nul stellen en meten, wat in wezen de temperatuur is van een enkel atoom in een tweedimensionaal materiaal, " zei Klie. Temperatuur is een maat voor de gemiddelde kinetische energie van de willekeurige bewegingen van de deeltjes, of atomen waaruit een materiaal bestaat. Naarmate een materiaal heter wordt, de frequentie van de atoomtrilling wordt hoger. Op het absolute nulpunt, de laagste theoretische temperatuur, alle atomaire beweging stopt.

Klie en zijn collega's verhitten microscopisch kleine "vlokken" van verschillende TMD's in de kamer van een scanning transmissie-elektronenmicroscoop tot verschillende temperaturen en richtten vervolgens de elektronenstraal van de microscoop op het materiaal. Met behulp van een techniek genaamd elektronen-energieverliesspectroscopie, ze waren in staat om de verstrooiing van elektronen van de tweedimensionale materialen veroorzaakt door de elektronenstraal te meten. De verstrooiingspatronen werden ingevoerd in een computermodel dat ze vertaalde in metingen van de trillingen van de atomen in het materiaal - met andere woorden, de temperatuur van het materiaal op atomair niveau.

"Met deze nieuwe techniek we kunnen de temperatuur van een materiaal meten met een resolutie die bijna 10 keer beter is dan conventionele methoden, " zei Klie. "Met deze nieuwe aanpak, we kunnen betere elektronische apparaten ontwerpen die minder snel oververhit raken en minder stroom verbruiken."

De techniek kan ook worden gebruikt om te voorspellen hoeveel materialen zullen uitzetten bij verwarming en krimpen bij afkoeling, waarmee ingenieurs chips kunnen bouwen die minder snel breken op punten waar het ene materiaal het andere raakt, zoals wanneer een tweedimensionale materiaalchip contact maakt met een draad.

"Geen enkele andere methode kan dit effect meten met de ruimtelijke resolutie die we rapporteren, "zei Klie. "Hierdoor kunnen ingenieurs apparaten ontwerpen die temperatuurveranderingen tussen twee verschillende materialen op nanoschaalniveau kunnen beheren."