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Materiais bidimensionais, que consistem em apenas uma única camada de átomos, podem ser agrupados de forma mais densa do que os materiais convencionais, para que possam ser usados para fazer transistores, células solares, LEDs e outros dispositivos que funcionam mais rápido e têm melhor desempenho.
Um problema que impede esses eletrônicos de última geração é o calor que eles geram quando estão em uso. A eletrônica convencional normalmente atinge cerca de 80 graus Celsius, mas os materiais em dispositivos 2D são compactados tão densamente em uma área tão pequena que os dispositivos podem ficar duas vezes mais quentes. Este aumento de temperatura pode danificar o aparelho.
Esse problema é agravado pelo fato de que os cientistas não têm uma boa compreensão de como os materiais 2D se expandem quando as temperaturas aumentam. Como os materiais são tão finos e opticamente transparentes, seu coeficiente de expansão térmica (TEC) – a tendência do material de expandir quando as temperaturas aumentam – é quase impossível de medir usando abordagens padrão.
“Quando as pessoas medem o coeficiente de expansão térmica de algum material a granel, elas usam uma régua científica ou um microscópio porque, com um material a granel, você tem a sensibilidade para medi-los. O desafio com um material 2D é que não podemos realmente vê-los, então precisamos recorrer a outro tipo de régua para medir o TEC”, diz Yang Zhong, estudante de pós-graduação em engenharia mecânica.
Zhong é o co-autor principal de um trabalho de pesquisa que demonstra exatamente esse “governante”. Em vez de medir diretamente como o material se expande, eles usam luz laser para rastrear as vibrações dos átomos que compõem o material. Fazer medições de um material 2D em três superfícies diferentes, ou substratos, permite extrair com precisão seu coeficiente de expansão térmica.
O novo estudo mostra que esse método é altamente preciso, alcançando resultados que correspondem aos cálculos teóricos. A abordagem confirma que os TECs de materiais 2D caem em uma faixa muito mais estreita do que se pensava anteriormente. Essas informações podem ajudar os engenheiros a projetar eletrônicos de última geração.
“Ao confirmar essa faixa física mais estreita, damos aos engenheiros muita flexibilidade de material para escolher o substrato inferior ao projetar um dispositivo. Eles não precisam criar um novo substrato inferior apenas para mitigar o estresse térmico. Acreditamos que isso tem muito implicações importantes para a comunidade de dispositivos eletrônicos e embalagens”, diz o co-autor principal e ex-estudante de engenharia mecânica Lenan Zhang SM ’18, PhD ’22, que agora é um cientista pesquisador.
Os co-autores incluem a autora sênior Evelyn N. Wang, professora de engenharia da Ford e chefe do Departamento de Engenharia Mecânica do MIT, bem como outros do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação do MIT e do Departamento de Engenharia Mecânica e de Energia da Universidade de Ciência e Tecnologia do Sul em Shenzhen, China. A pesquisa é publicada em Avanços da ciência.
Medindo vibrações
Como os materiais 2D são tão pequenos – talvez apenas alguns mícrons de tamanho – as ferramentas padrão não são sensíveis o suficiente para medir diretamente sua expansão. Além disso, os materiais são tão finos que devem ser ligados a um substrato como silício ou cobre. Se o material 2D e seu substrato tiverem diferentes TECs, eles se expandirão de maneira diferente quando as temperaturas aumentarem, o que causa estresse térmico.
Por exemplo, se um material 2D for ligado a um substrato com um TEC maior, quando o dispositivo for aquecido, o substrato se expandirá mais do que o material 2D, que o estica. Isso dificulta a medição do TEC real de um material 2D, pois o substrato afeta sua expansão.
Os pesquisadores superaram esses problemas concentrando-se nos átomos que compõem o material 2D. Quando um material é aquecido, seus átomos vibram em uma frequência mais baixa e se afastam, o que faz com que o material se expanda. Eles medem essas vibrações usando uma técnica chamada espectroscopia micro-Raman, que envolve atingir o material com um laser. Os átomos vibrantes espalham a luz do laser, e essa interação pode ser usada para detectar sua frequência vibracional.
Mas, à medida que o substrato se expande ou se comprime, ele afeta a forma como os átomos do material 2D vibram. Os pesquisadores precisavam desacoplar esse efeito de substrato para se concentrar nas propriedades intrínsecas do material. Eles fizeram isso medindo a frequência vibracional do mesmo material 2D em três substratos diferentes: cobre, que tem um alto TEC; sílica fundida, que possui baixo TEC; e um substrato de silício pontilhado com pequenos orifícios. Como o material 2D paira acima dos orifícios no último substrato, eles podem realizar medições nessas pequenas áreas de material autônomo.
Os pesquisadores então colocaram cada substrato em um estágio térmico para controlar com precisão a temperatura, aqueceram cada amostra e realizaram a espectroscopia micro-Raman.
“Ao realizar medições Raman nas três amostras, podemos extrair algo chamado coeficiente de temperatura que depende do substrato. Usando esses três substratos diferentes e conhecendo os TECs da sílica fundida e do cobre, podemos extrair o TEC intrínseco do 2D material”, explica Zhong.
Um resultado curioso
Eles realizaram essa análise em vários materiais 2D e descobriram que todos correspondiam aos cálculos teóricos. Mas os pesquisadores viram algo que não esperavam: os materiais 2D caíram em uma hierarquia baseada nos elementos que os compõem. Por exemplo, um material 2D que contém molibdênio sempre tem um TEC maior do que aquele que contém tungstênio.
Os pesquisadores se aprofundaram e descobriram que essa hierarquia é causada por uma propriedade atômica fundamental conhecida como eletronegatividade. A eletronegatividade descreve a tendência dos átomos de puxar ou extrair elétrons quando se ligam. Está listado na tabela periódica para cada elemento.
Eles descobriram que quanto maior a diferença entre as eletronegatividades dos elementos que formam um material 2D, menor será o coeficiente de expansão térmica do material. Um engenheiro poderia usar esse método para estimar rapidamente o TEC para qualquer material 2D, em vez de depender de cálculos complexos que normalmente devem ser processados por um supercomputador, diz Zhong.
“Um engenheiro pode simplesmente pesquisar a tabela periódica, obter as eletronegatividades dos materiais correspondentes, conectá-los à nossa equação de correlação e, em um minuto, obter uma estimativa razoavelmente boa do TEC. Isso é muito promissor para a seleção rápida de materiais para aplicações de engenharia “, diz Zhang.
No futuro, os pesquisadores querem aplicar sua metodologia a muito mais materiais 2D, talvez construindo um banco de dados de TECs. Eles também querem usar espectroscopia micro-Raman para medir TECs de materiais heterogêneos, que combinam vários materiais 2D. E eles esperam aprender as razões subjacentes pelas quais a expansão térmica dos materiais 2D é diferente da dos materiais a granel.
Este trabalho é financiado, em parte, pelos Centros de Pesquisa e Educação em Engenharia Mecânica do MIT e da Southern University of Science and Technology, pelos Materiais Research Science and Engineering Centers, pela US National Science Foundation e pelo US Army Research Office.
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