Investigadores de la Universidad de Illinois en Chicago describen una nueva técnica para medir con precisión la temperatura y el comportamiento de nuevos materiales bidimensionales que permitirá a los ingenieros diseñar microprocesadores más pequeños y rápidos. Sus hallazgos se publican en la revista. Cartas de revisión física .

Materiales bidimensionales de nuevo desarrollo, como el grafeno, que consta de una sola capa de átomos de carbono, tiene el potencial de reemplazar los chips de microprocesamiento tradicionales basados ​​en silicio, que han alcanzado el límite de lo pequeños que pueden llegar a ser. Pero los ingenieros se han visto obstaculizados por la incapacidad de medir cómo afectará la temperatura a estos nuevos materiales, colectivamente conocidos como dicalcogenuros de metales de transición, o TMD.

Utilizando microscopía electrónica de transmisión de barrido combinada con espectroscopía, Los investigadores de la UIC pudieron medir la temperatura de varios materiales bidimensionales a nivel atómico, allanando el camino para microprocesadores mucho más pequeños y rápidos. También pudieron usar su técnica para medir cómo se expandirían los materiales bidimensionales cuando se calientan.

"Los chips de microprocesamiento en computadoras y otros dispositivos electrónicos se calientan mucho, y debemos ser capaces de medir no solo el calor que pueden alcanzar, pero cuánto se expandirá el material cuando se calienta, "dijo Robert Klie, profesor de física de la UIC y autor correspondiente del artículo. "Saber cómo se expandirá un material es importante porque si un material se expande demasiado, conexiones con otros materiales, como alambres de metal, puede romperse y el chip es inútil ".

Las formas tradicionales de medir la temperatura no funcionan en pequeñas escamas de materiales bidimensionales que se usarían en microprocesadores porque son demasiado pequeñas. Medidas ópticas de temperatura, que utilizan una luz láser reflejada para medir la temperatura, no se puede usar en chips TMD porque no tienen suficiente área de superficie para acomodar el rayo láser.

"Necesitamos comprender cómo se acumula el calor y cómo se transmite en la interfaz entre dos materiales para construir microprocesadores eficientes que funcionen, "dijo Klie.

Klie y sus colegas idearon una forma de tomar medidas de temperatura de los TMD a nivel atómico utilizando microscopía electrónica de transición de barrido. que utiliza un haz de electrones transmitidos a través de una muestra para formar una imagen.

"Con esta técnica, podemos concentrarnos y medir la vibración de átomos y electrones, que es esencialmente la temperatura de un solo átomo en un material bidimensional, "dijo Klie. La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de los movimientos aleatorios de las partículas, o átomos que componen un material. A medida que un material se calienta, la frecuencia de la vibración atómica aumenta. En el cero absoluto, la temperatura teórica más baja, todo movimiento atómico se detiene.

Klie y sus colegas calentaron "escamas" microscópicas de varios TMD dentro de la cámara de un microscopio electrónico de transmisión de barrido a diferentes temperaturas y luego apuntaron el haz de electrones del microscopio al material. Usando una técnica llamada espectroscopia de pérdida de energía de electrones, pudieron medir la dispersión de electrones de los materiales bidimensionales causada por el haz de electrones. Los patrones de dispersión se ingresaron en un modelo de computadora que los tradujo en mediciones de las vibraciones de los átomos en el material; en otras palabras, la temperatura del material a nivel atómico.

"Con esta nueva técnica, podemos medir la temperatura de un material con una resolución que es casi 10 veces mejor que los métodos convencionales, ", dijo Klie." Con este nuevo enfoque, podemos diseñar mejores dispositivos electrónicos que sean menos propensos a sobrecalentarse y consuman menos energía ".

La técnica también se puede utilizar para predecir la cantidad de materiales que se expandirán cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían. lo que ayudará a los ingenieros a construir virutas que sean menos propensas a romperse en los puntos donde un material toca a otro, como cuando un chip de material bidimensional hace contacto con un cable.

"Ningún otro método puede medir este efecto con la resolución espacial que informamos, ", dijo Klie." Esto permitirá a los ingenieros diseñar dispositivos que puedan gestionar los cambios de temperatura entre dos materiales diferentes a nivel de nanoescala ".