I ricercatori dell'Università dell'Illinois a Chicago descrivono una nuova tecnica per misurare con precisione la temperatura e il comportamento di nuovi materiali bidimensionali che consentirà agli ingegneri di progettare microprocessori più piccoli e più veloci. I loro risultati sono riportati nella rivista Lettere di revisione fisica .

Materiali bidimensionali di nuova concezione, come il grafene, che consiste in un singolo strato di atomi di carbonio, hanno il potenziale per sostituire i tradizionali chip di microelaborazione a base di silicio, che hanno raggiunto il limite di quanto possono diventare piccoli. Ma gli ingegneri sono stati ostacolati dall'incapacità di misurare come la temperatura influenzerà questi nuovi materiali, noti collettivamente come dicalcogenuri di metalli di transizione, o TMD.

Utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione a scansione combinata con la spettroscopia, i ricercatori dell'UIC sono stati in grado di misurare la temperatura di diversi materiali bidimensionali a livello atomico, aprendo la strada a microprocessori molto più piccoli e veloci. Sono stati anche in grado di usare la loro tecnica per misurare come i materiali bidimensionali si sarebbero espansi quando riscaldati.

"I chip di microelaborazione nei computer e in altri dispositivi elettronici diventano molto caldi, e dobbiamo essere in grado di misurare non solo quanto possono diventare caldi, ma quanto si espanderà il materiale quando riscaldato, " ha detto Robert Klie, professore di fisica all'UIC e corrispondente autore dell'articolo. "Sapere come si espanderà un materiale è importante perché se un materiale si espande troppo, collegamenti con altri materiali, come fili metallici, può rompersi e il chip è inutile."

I metodi tradizionali per misurare la temperatura non funzionano su minuscole scaglie di materiali bidimensionali che verrebbero utilizzati nei microprocessori perché sono troppo piccoli. Misurazioni ottiche della temperatura, che utilizzano una luce laser riflessa per misurare la temperatura, non possono essere utilizzati sui chip TMD perché non hanno una superficie sufficiente per accogliere il raggio laser.

"Dobbiamo capire come si accumula il calore e come viene trasmesso all'interfaccia tra due materiali per costruire microprocessori efficienti che funzionino, " ha detto Klie.

Klie e i suoi colleghi hanno ideato un modo per effettuare misurazioni della temperatura dei TMD a livello atomico utilizzando la microscopia elettronica a scansione di transizione, che utilizza un fascio di elettroni trasmessi attraverso un campione per formare un'immagine.

"Utilizzando questa tecnica, possiamo azzerare e misurare la vibrazione di atomi ed elettroni, che è essenzialmente la temperatura di un singolo atomo in un materiale bidimensionale, " disse Klie. La temperatura è una misura dell'energia cinetica media dei moti casuali delle particelle, o atomi che compongono un materiale. Quando un materiale diventa più caldo, la frequenza della vibrazione atomica aumenta. Allo zero assoluto, la temperatura teorica più bassa, tutto il moto atomico si ferma.

Klie e i suoi colleghi hanno riscaldato "fiocchi" microscopici di vari TMD all'interno della camera di un microscopio elettronico a trasmissione a scansione a diverse temperature e quindi hanno puntato il fascio di elettroni del microscopio sul materiale. Utilizzando una tecnica chiamata spettroscopia di perdita di energia degli elettroni, sono stati in grado di misurare la dispersione degli elettroni dai materiali bidimensionali causata dal fascio di elettroni. I modelli di dispersione sono stati inseriti in un modello computerizzato che li ha tradotti in misurazioni delle vibrazioni degli atomi nel materiale - in altre parole, la temperatura del materiale a livello atomico.

"Con questa nuova tecnica, possiamo misurare la temperatura di un materiale con una risoluzione quasi 10 volte migliore rispetto ai metodi convenzionali, " ha detto Klie. "Con questo nuovo approccio, possiamo progettare dispositivi elettronici migliori che siano meno soggetti a surriscaldamento e consumino meno energia."

La tecnica può anche essere utilizzata per prevedere quanto i materiali si espanderanno quando riscaldati e si contrarranno quando raffreddati, che aiuterà gli ingegneri a costruire chip che sono meno inclini a rompersi nei punti in cui un materiale tocca un altro, come quando un chip di materiale bidimensionale entra in contatto con un filo.

"Nessun altro metodo può misurare questo effetto alla risoluzione spaziale che riportiamo, " ha detto Klie. "Questo consentirà agli ingegneri di progettare dispositivi in ​​grado di gestire le variazioni di temperatura tra due materiali diversi a livello di nanoscala".