二维材料，仅由单层原子组成，可以比传统材料更紧密地组合在一起，因此它们可以用于制造晶体管、太阳能电池、led和其他运行更快、性能更好的设备。

阻碍下一代电子产品发展的一个问题是它们在使用时产生的热量。传统电子设备的温度通常可达80摄氏度左右，但二维设备中的材料在如此小的区域内堆积得如此密集，以至于设备的温度可能会翻倍。温度升高会损坏设备。

这个问题由于科学家没有很好地理解二维材料在温度上升时如何膨胀而变得更加复杂。由于这些材料非常薄且光学透明，它们的热膨胀系数(TEC)——当温度升高时材料膨胀的趋势——几乎不可能用标准方法测量。

“当人们测量一些大块材料的热膨胀系数时，他们使用科学尺或显微镜，因为对于大块材料，你有测量它们的灵敏度。2D材料的挑战在于我们无法真正看到它们，因此我们需要转向另一种类型的尺来测量TEC，”机械工程研究生杨忠(音译)说。

钟是一篇研究论文的联合主要作者，该论文论证了这样一种“尺子”。他们不是直接测量材料如何膨胀，而是用激光来跟踪构成材料的原子的振动。在三种不同的表面或基材上测量一种二维材料，可以精确地提取其热膨胀系数。

新的研究表明，这种方法是高度准确的，得到的结果与理论计算相符。该方法证实了二维材料的TECs范围比之前认为的要窄得多。这些信息可以帮助工程师设计下一代电子产品。

“通过确定这一较窄的物理范围，我们为工程师在设计设备时选择底部基板提供了很大的材料灵活性。他们不需要仅仅为了减轻热应力而设计一种新的底部衬底。我们相信这对电子设备和包装行业有非常重要的意义，”联合第一作者、前机械工程研究生、22岁博士张立南说，他现在是一名研究科学家。

共同作者包括资深作者Evelyn N. Wang，福特工程教授和麻省理工学院机械工程系主任，以及来自麻省理工学院电气工程与计算机科学系和中国深圳南方科技大学机械与能源工程系的其他人。这项研究今天发表在《科学进展》杂志上。

测量振动

因为二维材料非常小——可能只有几微米大小——标准的工具没有足够的灵敏度来直接测量它们的膨胀。此外，这种材料非常薄，它们必须与硅或铜等基板结合。如果2D材料及其衬底具有不同的TECs，当温度升高时，它们将以不同的方式膨胀，从而产生热应力。

例如，如果2D材料与TEC更高的基板结合，当设备被加热时，基板将比2D材料膨胀更多，从而拉伸它。这使得测量二维材料的实际TEC变得困难，因为衬底影响其膨胀。

研究人员通过关注组成2D材料的原子来克服这些问题。当一种材料被加热时，它的原子以较低的频率振动，并移动得更远，这导致材料膨胀。他们使用一种叫做微拉曼光谱的技术来测量这些振动，这种技术包括用激光撞击材料。振动的原子分散了激光的光，这种相互作用可以用来检测它们的振动频率。

但当衬底膨胀或压缩时，它会影响二维材料原子的振动方式。研究人员需要解耦这种基质效应，以专注于材料的内在特性。他们通过测量同一2D材料在三种不同基底上的振动频率来做到这一点:具有高TEC的铜;熔融二氧化硅，具有低的TEC;还有布满小孔的硅基板。由于二维材料悬浮在后者基板上的孔洞之上，他们可以对这些独立材料的微小区域进行测量。

然后，研究人员将每个衬底放在一个热台上，以精确控制温度，加热每个样品，并进行微拉曼光谱分析。

“通过对三个样品进行拉曼测量，我们可以提取出与衬底有关的温度系数。使用这三种不同的基底，并了解熔融二氧化硅和铜的TEC，我们可以提取二维材料的固有TEC，”钟解释道。

一个奇怪的结果

他们对几种二维材料进行了分析，发现它们都符合理论计算。但研究人员发现了他们没有预料到的事情:2D材料根据组成它们的元素划分了层次。例如，含有钼的2D材料的TEC总是比含有钨的材料的TEC大。

研究人员深入研究后发现，这种层次结构是由一种被称为电负性的基本原子性质引起的。电负性描述了原子在成键时吸引或提取电子的倾向。它被列在元素周期表上。

他们发现形成二维材料的元素的电负性差越大，材料的热膨胀系数就越低。钟说，工程师可以使用这种方法快速估计任何二维材料的TEC，而不是依赖于通常必须由超级计算机进行的复杂计算。

“工程师只需搜索元素周期表，得到相应材料的电负性，将它们代入我们的相关方程，在一分钟内就可以对TEC有一个相当好的估计。这对于工程应用的快速材料选择是非常有前途的。”

下一步，研究人员希望将他们的方法应用到更多的2D材料上，也许可以建立一个TECs数据库。他们还想使用微拉曼光谱来测量混合了多种二维材料的非均匀材料的TECs。他们希望了解二维材料的热膨胀不同于块状材料的潜在原因。

这项工作部分由麻省理工学院和南方科技大学机械工程研究与教育中心、材料研究科学与工程中心、美国国家科学基金会和美国陆军研究办公室资助。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。