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二维材料温度不再是谜,在原子层面被成功测定

科界 2018-02-06

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▲美国伊利诺伊大学芝加哥分校(UIC)物理学教授、该论文的责任作者罗伯特·克里(Robert Klie)

据《物理评论快报》杂志消息称,日前美国伊利诺伊大学芝加哥分校(UIC)的研究人员发文描述了一种可以精确测量二维新材料温度和性能的新技术,该技术为工程师设计出更小更快的微处理器铺平了道路。

新开发的二维材料,比如由单层碳原子组成石墨烯,有可能在未来取代含硅片的传统微处理器芯片,因为这些芯片目前已经达到了其所能达到最小体积的极限。然而,之前一直困扰工程师们的难题是无法测量温度对这些新材料的影响,他们将这些材料统称为“过渡金属二硫属化合物”,简称TMD。

UIC的研究人员利用扫描透射电子显微镜和光谱学手段,成功地在原子层面测量了几种二维材料的温度,这就意味着人类离制造出更小更快的微处理器又更近了一步。此外,他们还可以借用该技术来测量二维材料在加热时的膨胀程度。

“电脑和其他电子产品的微处理器芯片在运行时会变得非常热,所以我们不仅需要测量它们会达到的温度,而且还需要测量材料在加热时的膨胀程度。”UIC的物理学教授、该论文的责任作者罗伯特·克里(Robert Klie)说。“了解材料的膨胀程度是很重要的,因为当材料膨胀得太多时,把它与其他材料(如金属丝)相连接就会发生断裂,从而导致芯片报废。” 

克里和同事们发明了一种手段,可以利用扫描透射电子显微镜在原子层面对TMD材料进行温度测量,而其工作原理是用电子显微镜发射一根穿透样本的电子束来形成可以显示温度的图像。“利用这种技术,我们可以瞄准聚焦并测量原子和电子的振动,而这种振动本身本质上就是二维材料中单个原子的温度。”克里说。温度是粒子或构成物质的原子随机运动的平均动能的量度。当材料物质变得更热时,其原子振动的频率就会升高。在绝对零度,也就是最低的理论温度,所有的原子运动都会停止。

“通过这项新技术,我们可以用比传统方法高出近十倍的分辨率来测量材料的温度。这一新方法可以帮助我们设计出不容易过热或更节能的电子设备。“克里说。

这项技术还可以用来预测物质温度升高时的膨胀程度和冷却时的收缩程度,而这将有利于工程师们制造出一种在两种材料相接触时更不易断裂的芯片,就比如在一个二维材料芯片与电线相接触的情况中时。

“在我们目前研究的空间分辨率水平上,还没有其它方法可以测量这种现象和效果。这将使工程师能够设计出可以在纳米层面上承受两种不同材料之间温度变化的设备。”

科界原创

 编译:朱明逸 审稿:西莫 编辑:程建兰

来源:https://phys.org/news/2018-02-temperature-two-dimensional-materials-atomic.html

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