Forskare vid University of Illinois i Chicago beskriver en ny teknik för att exakt mäta temperaturen och beteendet hos nya tvådimensionella material som gör att ingenjörer kan designa mindre och snabbare mikroprocessorer. Deras resultat rapporteras i tidningen Fysiska granskningsbrev .

Nyutvecklade tvådimensionella material, såsom grafen - som består av ett enda lager av kolatomer - har potential att ersätta traditionella mikrobearbetningsflisar baserade på kisel, som har nått gränsen för hur små de kan bli. Men ingenjörer har stymts av oförmågan att mäta hur temperaturen kommer att påverka dessa nya material, gemensamt kända som övergångsmetalldikalkogenider, eller TMD.

Med hjälp av svepelektronmikroskopi i kombination med spektroskopi, forskare vid UIC kunde mäta temperaturen på flera tvådimensionella material på atomnivå, banar väg för mycket mindre och snabbare mikroprocessorer. De kunde också använda sin teknik för att mäta hur de tvådimensionella materialen skulle expandera vid uppvärmning.

"Mikroprocessorchips i datorer och annan elektronik blir väldigt heta, och vi måste kunna mäta inte bara hur heta de kan bli, men hur mycket materialet kommer att expandera vid uppvärmning, "sa Robert Klie, professor i fysik vid UIC och motsvarande författare till uppsatsen. "Att veta hur ett material kommer att expandera är viktigt för om ett material expanderar för mycket, anslutningar med andra material, såsom metalltrådar, kan gå sönder och chipet är värdelöst. "

Traditionella sätt att mäta temperatur fungerar inte på små flingor av tvådimensionella material som skulle användas i mikroprocessorer eftersom de är för små. Optiska temperaturmätningar, som använder ett reflekterat laserljus för att mäta temperatur, kan inte användas på TMD -chips eftersom de inte har tillräckligt med ytarea för att rymma laserstrålen.

"Vi måste förstå hur värme bygger upp och hur det överförs vid gränssnittet mellan två material för att bygga effektiva mikroprocessorer som fungerar, sa Klie.

Klie och hans kollegor utarbetade ett sätt att ta temperaturmätningar av TMD på atomnivå med hjälp av skanningövergångselektronmikroskopi, som använder en elektronstråle som överförs genom ett prov för att bilda en bild.

"Med denna teknik, vi kan nollställa och mäta vibrationer hos atomer och elektroner, som i huvudsak är temperaturen för en enda atom i ett tvådimensionellt material, "sa Klie. Temperaturen är ett mått på den genomsnittliga kinetiska energin för partiklarnas slumpmässiga rörelser, eller atomer som utgör ett material. När ett material blir varmare, atomvibrationens frekvens blir högre. Vid absolut noll, den lägsta teoretiska temperaturen, all atomrörelse stannar.

Klie och hans kollegor värmde mikroskopiska "flingor" av olika TMD inuti kammaren i ett skanningsöverföringselektronmikroskop till olika temperaturer och riktade sedan mikroskopets elektronstråle mot materialet. Med hjälp av en teknik som kallas elektronenergiförlustspektroskopi, de kunde mäta spridningen av elektroner från de tvådimensionella materialen som orsakas av elektronstrålen. Spridningsmönstren infördes i en datormodell som översatte dem till mätningar av atomernas vibrationer i materialet - med andra ord, materialets temperatur på atomnivå.

"Med denna nya teknik, vi kan mäta temperaturen på ett material med en upplösning som är nästan 10 gånger bättre än konventionella metoder, "sa Klie." Med detta nya tillvägagångssätt, vi kan designa bättre elektroniska enheter som är mindre benägna att överhettas och förbrukar mindre ström. "

Tekniken kan också användas för att förutsäga hur mycket material som kommer att expandera vid uppvärmning och sammandragning när det kyls, vilket hjälper ingenjörer att bygga chips som är mindre benägna att bryta på punkter där ett material berör ett annat, såsom när ett tvådimensionellt materialchip kommer i kontakt med en tråd.

"Ingen annan metod kan mäta denna effekt med den rumsliga upplösning vi rapporterar, "sa Klie." Detta gör det möjligt för ingenjörer att designa enheter som kan hantera temperaturförändringar mellan två olika material på nanoskala. "