Pesquisadores desenvolvem novo teste de calor para materiais finos como átomos

Materiais avançados, incluindo materiais bidimensionais ou “atomicamente finos” com apenas alguns átomos de espessura, são essenciais para o futuro da tecnologia de microeletrônica. Agora, uma equipe do Laboratório Nacional de Los Alamos desenvolveu uma maneira de medir diretamente o coeficiente de expansão térmica desses materiais, a taxa na qual o material se expande à medida que aquece.

Essa visão pode ajudar a resolver problemas de desempenho relacionados ao calor de materiais incorporados à microeletrônica, como chips de computador. O estudo é publicado em ACS Nano.

“É bem compreendido que aquecer um material geralmente resulta na expansão dos átomos dispostos na estrutura do material”, disse Theresa Kucinski, cientista do Nuclear Materials Science Group em Los Alamos. “Mas as coisas ficam estranhas quando o material tem apenas um ou alguns átomos de espessura.”

Devido à finura dos materiais bidimensionais, até agora, a medição da sua expansão térmica só poderia ser realizada indiretamente ou com a utilização de uma estrutura de suporte chamada substrato. Essas limitações resultaram em grandes discrepâncias nas medições da expansão térmica.

Ao usar microscopia eletrônica de transmissão de varredura quadridimensional em sua configuração experimental, combinada com um feixe de elétrons não circular e análise computacional complexa, a equipe determinou com precisão a expansão térmica no material.

Compreendendo o calor em materiais microeletrônicos

Microeletrônica, incluindo chips de computador, são componentes eletrônicos de pequena escala que dependem de material semicondutor, como o diseleneto de tungstênio, no qual a equipe fez experimentos.

Dados os avanços nos materiais e arquiteturas exigidos pelos dispositivos microeletrônicos emergentes e a produção de calor que ocorre em qualquer dispositivo desse tipo, propriedades importantes, como a expansão térmica dos materiais bidimensionais constituintes, precisam ser bem compreendidas.

A equipe desenvolveu o diseleneto de tungstênio usando uma deposição química de vapor metal-orgânico, uma técnica que usa calor para combinar gases e deixar um depósito de materiais com apenas três átomos de espessura em uma superfície de vidro de 5 cm de diâmetro.

A amostra de filme fino foi aquecida a mais de 1.000 graus Fahrenheit durante o experimento de microscopia eletrônica 4D — cujas dezenas de milhares de padrões de difração produziram um conjunto de dados que, quando executados por meio de uma análise computacional, revelam estatisticamente a natureza e a extensão das mudanças na estrutura do material.

Métodos de síntese como deposição química de vapor orgânico de metal têm um alto grau de aplicabilidade para fabricação de microeletrônica em larga escala. Como os dispositivos produzem calor que pode levar à degradação, entender o comportamento térmico de materiais bidimensionais fabricados por tais técnicas — e como ele se compara às propriedades de materiais similares em forma de massa — ajuda a prever como o material se comportará em configurações de aplicação real sob cargas térmicas.

“Nossa descoberta estabelece que a expansão térmica do disseleneto de tungstênio bidimensional está de fato mais alinhada com a expansão térmica que vemos em materiais a granel”, disse Michael Pettes, cientista do Centro de Nanotecnologias Integradas e autor correspondente do artigo.

“Isso é promissor, pois o valor é semelhante ao dos materiais convencionais usados ​​nos semicondutores existentes, essenciais à microeletrônica.”