Los materiales bidimensionales, que consisten en una sola capa de átomos, pueden empaquetarse más densamente que los materiales convencionales, por lo que podrían usarse para fabricar transistores, células solares, LED y otros dispositivos que funcionan más rápido y funcionan mejor.

Un problema que frena estos dispositivos electrónicos de próxima generación es el calor que generan cuando están en uso. La electrónica convencional suele alcanzar unos 80 grados centígrados, pero los materiales en los dispositivos 2D están tan densamente empaquetados en un área tan pequeña que los dispositivos pueden calentarse el doble. Este aumento de temperatura puede dañar el dispositivo.

Este problema se ve agravado por el hecho de que los científicos no tienen una buena comprensión de cómo se expanden los materiales 2D cuando aumentan las temperaturas. Debido a que los materiales son tan delgados y ópticamente transparentes, su coeficiente de expansión térmica (TEC), la tendencia del material a expandirse cuando aumentan las temperaturas, es casi imposible de medir utilizando enfoques estándar.

“Cuando las personas miden el coeficiente de expansión térmica de algún material a granel, usan una regla científica o un microscopio porque con un material a granel, tienes la sensibilidad para medirlos. El desafío con un material 2D es que realmente no podemos verlos, por lo que debemos recurrir a otro tipo de regla para medir el TEC”, dice Yang Zhong, estudiante graduado en ingeniería mecánica.

Zhong es coautor principal de un artículo de investigación que demuestra tal "regla". En lugar de medir directamente cómo se expande el material, usan luz láser para rastrear las vibraciones de los átomos que componen el material. Tomar medidas de un material 2D en tres superficies o sustratos diferentes les permite extraer con precisión su coeficiente de expansión térmica.

El nuevo estudio muestra que este método es muy preciso y logra resultados que coinciden con los cálculos teóricos. El enfoque confirma que los TEC de materiales 2D se encuentran en un rango mucho más estrecho de lo que se pensaba anteriormente. Esta información podría ayudar a los ingenieros a diseñar productos electrónicos de próxima generación.

“Al confirmar este rango físico más estrecho, brindamos a los ingenieros mucha flexibilidad de materiales para elegir el sustrato inferior cuando diseñan un dispositivo. No necesitan idear un nuevo sustrato inferior solo para mitigar el estrés térmico. Creemos que esto tiene implicaciones muy importantes para la comunidad de dispositivos electrónicos y empaques”, dice el coautor principal y ex estudiante graduado de ingeniería mecánica Lenan Zhang SM ´18, PhD ´22, quien ahora es científico investigador.

Los coautores incluyen a la autora principal Evelyn N. Wang, profesora de ingeniería de Ford y jefa del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, así como a otros del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación del MIT y del Departamento de Ingeniería Mecánica y Energética de Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur en Shenzhen, China. La investigación se publica hoy en Science Advances .

Medición de vibraciones

Debido a que los materiales 2D son tan pequeños, tal vez solo unas pocas micras de tamaño, las herramientas estándar no son lo suficientemente sensibles para medir directamente su expansión. Además, los materiales son tan delgados que deben unirse a un sustrato como el silicio o el cobre. Si el material 2D y su sustrato tienen diferentes TEC, se expandirán de manera diferente cuando aumenten las temperaturas, lo que provoca estrés térmico.

Por ejemplo, si un material 2D se une a un sustrato con un TEC más alto, cuando el dispositivo se calienta, el sustrato se expandirá más que el material 2D, lo que lo estira. Esto dificulta medir el TEC real de un material 2D ya que el sustrato afecta su expansión.

Los investigadores superaron estos problemas centrándose en los átomos que componen el material 2D. Cuando se calienta un material, sus átomos vibran a una frecuencia más baja y se separan más, lo que hace que el material se expanda. Miden estas vibraciones utilizando una técnica llamada espectroscopia micro-Raman, que consiste en golpear el material con un láser. Los átomos que vibran dispersan la luz del láser y esta interacción se puede utilizar para detectar su frecuencia vibratoria.

Pero a medida que el sustrato se expande o comprime, afecta la forma en que vibran los átomos del material 2D. Los investigadores necesitaban desacoplar este efecto de sustrato para concentrarse en las propiedades intrínsecas del material. Hicieron esto midiendo la frecuencia vibratoria del mismo material 2D en tres sustratos diferentes: cobre, que tiene un alto TEC; sílice fundida, que tiene un TEC bajo; y un sustrato de silicio salpicado de pequeños agujeros. Debido a que el material 2D se cierne sobre los agujeros en el último sustrato, pueden realizar mediciones en estas áreas diminutas de material independiente.

Luego, los investigadores colocaron cada sustrato en una etapa térmica para controlar con precisión la temperatura, calentaron cada muestra y realizaron una espectroscopia micro-Raman.

“Al realizar mediciones Raman en las tres muestras, podemos extraer algo llamado coeficiente de temperatura que depende del sustrato. Usando estos tres sustratos diferentes y conociendo los TEC de la sílice fundida y el cobre, podemos extraer el TEC intrínseco del material 2D”, explica Zhong.

Un resultado curioso

Realizaron este análisis en varios materiales 2D y descubrieron que todos coincidían con los cálculos teóricos. Pero los investigadores vieron algo que no esperaban: los materiales 2D cayeron en una jerarquía basada en los elementos que los componen. Por ejemplo, un material 2D que contiene molibdeno siempre tiene un TEC mayor que uno que contiene tungsteno.

Los investigadores profundizaron y descubrieron que esta jerarquía es causada por una propiedad atómica fundamental conocida como electronegatividad. La electronegatividad describe la tendencia de los átomos a jalar o extraer electrones cuando se unen. Está listado en la tabla periódica para cada elemento.

Descubrieron que cuanto mayor sea la diferencia entre las electronegatividades de los elementos que forman un material 2D, menor será el coeficiente de expansión térmica del material. Un ingeniero podría usar este método para estimar rápidamente el TEC para cualquier material 2D, en lugar de depender de cálculos complejos que normalmente deben ser procesados ​​por una supercomputadora, dice Zhong.

“Un ingeniero puede simplemente buscar en la tabla periódica, obtener las electronegatividades de los materiales correspondientes, conectarlos a nuestra ecuación de correlación y en un minuto pueden tener una estimación razonablemente buena del TEC. Esto es muy prometedor para la selección rápida de materiales para aplicaciones de ingeniería”, dice Zhang.

En el futuro, los investigadores quieren aplicar su metodología a muchos más materiales 2D, quizás construyendo una base de datos de TEC. También quieren utilizar la espectroscopia micro-Raman para medir los TEC de materiales heterogéneos, que combinan múltiples materiales 2D. Y esperan conocer las razones subyacentes por las que la expansión térmica de los materiales 2D es diferente de la de los materiales a granel.

Este trabajo está financiado, en parte, por los Centros de Investigación y Educación en Ingeniería Mecánica del MIT y la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur, los Centros de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales, la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU.