Wetenschap
Thermische eigenschappen van nieuwe 2D-materialen voor microchips kunnen nu goed worden gemeten
Voor het maken van steeds kleinere en krachtigere chips zijn nieuwe ultradunne materialen nodig:2D-materialen die slechts 1 atoom dik zijn, of zelfs maar een paar atomen. Denk bijvoorbeeld aan grafeen of een ultradun siliciummembraan.
Wetenschappers van de TU Delft hebben een belangrijke stap gezet in de toepassing van deze materialen:ze kunnen nu belangrijke thermische eigenschappen van ultradunne siliciummembranen meten. Een groot voordeel van hun methode is dat er geen fysiek contact met het membraan hoeft te worden gemaakt, waardoor onberispelijke eigenschappen kunnen worden gemeten en er geen complexe fabricage nodig is.
De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift APL Materials .
“Extreem dunne membranen hebben heel andere eigenschappen dan de materialen die we om ons heen zien. Grafeen is bijvoorbeeld sterker dan staal en toch extreem flexibel”, zegt TU Delft-onderzoeker Gerard Verbiest. “Dit zijn eigenschappen die deze materialen zeer geschikt maken voor gebruik in sensoren, mits die eigenschappen goed begrepen worden.”
Zoals bij veel elektronica is warmtegeleiding een grote uitdaging voor het realiseren van de beste prestaties. Het helpt bepalen hoe goed een materiaal zal reageren op bepaalde belastingen die een chip of sensor moet dragen. Warmtegeleiding in twee dimensies is fundamenteel anders dan die in drie dimensies.
Als gevolg hiervan zijn de thermische eigenschappen van 2D-materialen van groot belang, zowel vanuit wetenschappelijk als vanuit toepassingsoogpunt. Er zijn echter weinig technieken beschikbaar voor het nauwkeurig bepalen van deze eigenschappen in ultradunne zwevende membranen.
De onderzoekers gebruikten een optomechanische methodologie voor het extraheren van de thermische uitzettingscoëfficiënt, soortelijke warmte en thermische geleidbaarheid van ultradunne membranen gemaakt van 2H-TaS2 , FePS3 , polykristallijn silicium, MoS2 , en WSe2 . Het betrof het aandrijven van een opgehangen membraan met behulp van een vermogensgemoduleerde laser en het meten van de tijdsafhankelijke doorbuiging ervan met een tweede laser. Op deze manier worden zowel de temperatuurafhankelijke mechanische fundamentele resonantiefrequentie van het membraan als de karakteristieke thermische tijdconstante waarbij het membraan afkoelt gemeten
Samenwerking tussen wetenschap en industrie is cruciaal voor de ontwikkeling van deze technologie. Verbiest:“Door in dit project dunne siliciummembranen te meten hebben we met de techniek die we in Delft ontwikkelden laten zien dat we kunnen werken aan materialen die relevant zijn voor de halfgeleiderindustrie. Dit geeft het onderzoek een extra impuls, omdat de inzichten dan potentieel direct leiden tot een toekomstige industriële toepassing. , wat belangrijk is voor Nederland en een belangrijke motivatie voor dergelijk onderzoek."
De verkregen thermische eigenschappen komen goed overeen met de waarden die in de literatuur voor dezelfde materialen worden vermeld. Dit onderzoek levert een optomechanische methode op voor het bepalen van de thermische eigenschappen van ultradunne zwevende membranen, die anders moeilijk te meten zijn. Het biedt een route naar het verbeteren van ons begrip van warmtetransport in de 2D-limiet en vergemakkelijkt de engineering van 2D-constructies met speciale thermische prestaties.