2023 Autor: Bryan Walter | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 23:09
Amerikanische Physiker haben eine Methode entwickelt, um Temperatur und thermischen Ausdehnungskoeffizienten in zweidimensionalen Kristallen mit einer Ortsauflösung von bis zu zwei Nanometern abzubilden. Die Methode, die auf der Verwendung von Elektronenmikroskopie und der Analyse der Spektren der Energieverluste von Elektronen basiert, zeigte insbesondere, dass sich der Wärmeausdehnungskoeffizient von zweidimensionalen und dreidimensionalen Kristallen derselben Zusammensetzung um fast das 50-fache unterscheiden kann, Wissenschaftler in Physical Review Letters schreiben.
Zweidimensionale Kristalle gelten heute als eines der vielversprechendsten Materialien für die Herstellung elektronischer Geräte der neuen Generation. Dank vielfältiger elektronischer Eigenschaften und der Möglichkeit, diese Materialien miteinander zu kombinieren, ist es bereits möglich, daraus nanoskalige funktionelle elektronische Bauelemente zu gewinnen. Einer der limitierenden Faktoren beim Betrieb solcher Vorrichtungen können ihre thermischen Eigenschaften sein, die ziemlich stark von der Anzahl der Schichten im Kristall abhängen und zu erheblichen Energieverlusten oder strukturellen Schäden aufgrund einer Fehlanpassung während der thermischen Ausdehnung führen können.
Um die Temperatur von zweidimensionalen Materialien zu kontrollieren, benötigen Sie zunächst Methoden, um sie mit ausreichender räumlicher Auflösung genau zu messen und abzubilden. Zur Bestimmung der thermischen Eigenschaften von zweidimensionalen Kristallen gibt es derzeit mehrere Ansätze, die jedoch entweder ungenügend genau in der Auflösung sind (dies gilt vor allem für optische Verfahren, z. B. auf Basis der Raman-Spektroskopie) oder selbst beeinflussen die Messwerte (bei Kontaktmethoden).
Physiker um Robert F. Klie von der University of Illinois haben eine neue Methode entwickelt, um Temperaturkarten zu zeichnen und den Wärmeausdehnungskoeffizienten von zweidimensionalen Materialien verschiedener Qualitäten basierend auf Daten aus der Elektronenmikroskopie zu messen. Der Ansatz basiert auf der Verwendung von Transmissionselektronenmikroskopie und spektroskopischen Daten zu charakteristischen Energieverlusten von Elektronen. Mit diesen Daten ist es möglich, den Wert der Verschiebung des Plasmonenpeaks zu erhalten, dessen Position von der Temperatur abhängt. In zweidimensionalen Kristallen wird die Plasmonenenergie durch die Quantenoberflächeneigenschaften bestimmt, daher können diese Daten verwendet werden, um die Temperatur und den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu bestimmen.
Links eine Karte der Verteilung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von zweidimensionalem Molybdändisulfid bei 350 Grad Celsius vor dem Hintergrund der entsprechenden Aufnahme. Dunklere Bildbereiche entsprechen dünneren Kristallen (DL - Doppelschicht, QL - Vierfach). Rechts ist eine Mikrophotographie von Molybdändisulfid bei 300 Grad zu sehen. In der Mitte befinden sich lineare Ausschnitte der Karte des Wärmeausdehnungskoeffizienten entlang der schwarzen Linie in der linken Abbildung und des Bildkontrasts entlang der weißen Linie in der rechten Abbildung.
In ihrer Arbeit haben die Autoren der Studie die Temperatur und den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Graphen und vier Dichalkogeniden von Übergangsmetallen gemessen: Sulfide und Selenide von Wolfram und Molybdän - bei Temperaturen von 100 bis 600 Grad Celsius. Die physikalischen Parameter wurden für mehrere Systeme gemessen: einen einschichtigen, zweischichtigen, dreischichtigen zweidimensionalen Kristall sowie für einen massiven Kristall gleicher Zusammensetzung, der aus einer Vielzahl von Schichten besteht.
Durch Messungen konnte zum einen die Abhängigkeit der Temperatur und des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von der Anzahl der Schichten im Kristall bestätigt und quantitativ abgeschätzt werden. So stellte sich heraus, dass der gemessene Wärmeausdehnungskoeffizient für Volumenkristalle deutlich niedriger war (es sei darauf hingewiesen, dass wir einen absoluten Wert meinen: Für Chalkogenide ist dieser Parameter positiv, für Graphen dagegen negativ). In einigen Fällen unterschieden sich die Werte für einschichtige und mehrschichtige Kristalle um fast das 50-fache. Gleichzeitig fanden die Wissenschaftler nicht bei allen Strukturen mit mehr als drei Schichten Unterschiede in den Daten.
Darüber hinaus verglichen die Wissenschaftler die erhaltenen Werte der thermischen Ausdehnungskoeffizienten mit experimentellen und theoretischen Daten, die für Volumenkristalle und einige einschichtige zweidimensionale Kristalle bekannt sind. Neue experimentelle Ergebnisse stimmen nicht immer quantitativ mit theoretischen Daten überein, sondern entsprechen im Allgemeinen den experimentell erhaltenen Werten. Eine besonders enge Übereinstimmung wird für Graphit sowie für Wolfram- und Molybdänselenide beobachtet.
Die räumliche Auflösung des Verfahrens betrug etwa 2 Nanometer. Die Autoren der Arbeit stellen fest, dass die Kartierung der Temperatur mit einer solchen Genauigkeit dazu beitragen wird, die thermischen Eigenschaften zweidimensionaler Materialien viel genauer vorherzusagen und bei der Entwicklung elektronischer Geräte auf der Grundlage von Mehrschichtstrukturen aus solchen Kristallen zu helfen.
Beachten Sie, dass einschichtige zweidimensionale Kristalle nicht nur durch kovalente Bindungen, sondern auch aus Metallgittern gebildet werden können. Ein Beispiel für einen solchen Kristall ist beispielsweise Stanen, ein Zinnanalogon von Graphen, das nun in Form von gleichmäßigen Schichten mit ausreichend großer Fläche erhalten wird. Um die chemischen und physikalischen Eigenschaften anderer ähnlicher Strukturen zu beschreiben, von denen die meisten noch nicht experimentell ermittelt wurden, haben Wissenschaftler sogar eine numerische Berechnung durchgeführt und einen Atlas ihrer Eigenschaften erstellt.
