Phonon nanoengineering:Vibrationer i nanoislands spreder varme mere effektivt

Europiumsilicid har i nogen tid tiltrukket sig forskernes opmærksomhed. Anerkendt som lovende for elektronik og spintronics, dette materiale er for nylig blevet indsendt af et team af fysikere fra Polen, Tyskland og Frankrig til omfattende undersøgelser af vibrationerne i dets krystalgitter. Resultaterne gav en overraskelse:deponeret på et substrat af silicium, nogle strukturer af europiumsilicid ser ud til at vibrere på en måde, der klart udvider mulighederne for at designe nanomaterialer med skræddersyede termiske egenskaber.

Atomernes vibrationer i materialernes krystalgitter, kendt som fononer, er ikke kaotiske. I stedet, de styres af gitterets symmetri, atommasse og andre faktorer. For eksempel, atomer dybt i det faste stof svinger anderledes end på overfladen, og stadig anderledes, når materialet dannes, for eksempel, nanoislands dvs. små atomklynger på et substrat. Et internationalt team af fysikere, sammensat af forskere fra Institute of Nuclear Physics of the Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) i Krakow, Karlsruhe Institute of Technology (KIT) og European Synchrotron (ESRF) i Grenoble, har for første gang omfattende undersøgt, hvordan vibrationerne i krystalgitteret af europiumsilicid (EuSi2) ændres afhængigt af nanostrukturerarrangementet på et siliciumsubstrat. Undersøgelsen gav bemærkelsesværdige resultater:en ny type vibrationer blev observeret i prøven, hvor EuSi2 nanoislands var i kontakt med hinanden.

"Normalt betyder nanoengineering at ændre materiale på en skala på nanometer, eller milliarddele af en meter. Forskningen om europiumsilicid, som vi deltog i, giver os mulighed for at tilbyde noget mere:phonon nanoengineering, dvs. teknik, hvor materialets struktur ikke så meget er omhyggeligt designet som vibrationer af atomer i dets krystalgitter, "siger Dr. Przemyslaw Piekarz (IFJ PAN).

Europiumsilicid danner en krystal, hvor hvert europiumatom er omgivet af 12 siliciumatomer. Systemet udviser det, der er kendt som tetragonal symmetri:afstanden mellem atomer i en retning er anderledes end i de to resterende retninger. Denne metalliske forbindelse binder let til silicium, og har også en rekordhøj lav såkaldt Schottky-barriere (dvs. barrieren for potentielle energielektroner støder på ved deres overgang fra metal til silicium). Sådanne materialer er af interesse i dag i betragtning af deres potentielle anvendelse i nanoelektroniske systemer, for eksempel, i MOSFET -teknologi, der bruges til fremstilling af moderne processorer. Imidlertid, ved lave temperaturer udviser EuSi2 også interessante magnetiske egenskaber, hvilket gør det attraktivt for efterfølgeren til elektronik - spintronics.

Selvom forbindelser af sjældne jordartsmetaller og silicium spiller en grundlæggende rolle i varmetransport, blandt andre, deres gittervibrationer er til dato ikke blevet grundigt undersøgt. I mellemtiden, i nanoelektroniske systemer, hvor der genereres varme i store mængder, termiske egenskaber ved et materiale blev lige så vigtige som de magnetiske eller elektriske egenskaber.

En gruppe ledet af Dr. Svetoslav Stankov (KIT, Tyskland) har udviklet en procedure til fremstilling af epitaksiale EuSi2 -nanostrukturer ved at deponere, under ultrahøje vakuumforhold, små mængder europiumatomer på et opvarmet substrat af enkelt krystallinsk silicium. I øvrigt, ved omhyggelig justering af substratets temperatur og mængden af ​​europiumatomer var de i stand til at skræddersy morfologien for de forberedte EuSi2 -nanostrukturer på siliciumoverfladen.

"I dette eksperiment fokuserede vi vores opmærksomhed på fire europiumsilicidprøver, der danner:en ensartet film, som kunne betragtes som en massiv krystal, en tæt plisseret film, og to forskellige samlinger af nanoislands, "forklarer Dr. Stankov og tilføjer:" Et nanoisland er en diskret klynge af selvorganiserede atomer på en overflade, der når størrelser på flere titalls nanometer med en højde på et dusin nanometer. Det viste sig, at særligt interessante er de prøver, hvor EuSi2 -nano -øerne er fuldstændigt isoleret fra hinanden, og dem, hvor nano -øerne er i tæt kontakt med hinanden. "

Prøverne blev fremstillet i ultrahøjvakuumsystemet ved ESRF-synkrotronens nukleare resonansstråle i Grenoble af KIT-gruppen og undersøgt in situ ved nuklear uelastisk spredning (NIS).

"NIS er en state-of-the-art metode til direkte måling af energispektret for atomvibrationer af nanomaterialer med meget høj opløsning. I denne eksperimentelle teknik belyses prøven med højenergifotoner, valgt således, at deres absorption ved atomkerner ophidser eller tilintetgør gittervibrationer af en bestemt art, giver den elementspecifikke fonontæthed af tilstande, "tilføjer Dr. Stankov.

Teoretiske undersøgelser på IFJ PAN blev udført ab initio, baseret på de grundlæggende love for kvantemekanik og statistisk fysik, ved hjælp af PHONON -software skrevet af prof. Krzysztof Parlinski (IFJ PAN). Cracow -gruppen beskæftigede sig ikke kun med modellering af vibrationerne i krystalgitteret af strukturer af europiumsilicid, men også bestemmelse af betingelserne for at udføre eksperimenter i ESRF -synkrotronen.

"I Grenoble blev der kun registreret vibrationsenergier for europiumatomer. De kurver, der blev opnået fra målingerne, stemte meget godt overens med vores beregninger for den faste krystal og overfladen. Vi kunne supplere disse data med vores forudsigelser for bevægelser af siliciumatomer, hvilket hjalp til bedre at fortolke resultaterne, "siger prof. Parlinski.

Særligt interessante resultater blev opnået for prøverne med nanoislands. I tilfælde af et substrat belagt med diskrete nano -øer blev der observeret en signifikant stigning i vibrationsamplituden for europiumatomer, op til 70% i forhold til vibrationerne i krystallen. En så stor stigning udmønter sig i betydeligt større muligheder inden for varmeoverførsel. Den mest interessante effekt dukkede op, imidlertid, i prøven med nanoislands, der støder op til hinanden. Nemlig, yderligere vibrationer med en karakteristisk energi blev fundet ved grænsefladerne mellem nano -øerne. Selvom det teoretisk var forudsagt tidligere, deres eksistens blev bekræftet eksperimentelt for første gang. De udgør en anden 'gateway', hvorigennem materiale kan afgive varme til miljøet. Ved hjælp af de tilstødende nano -øer bliver en betydelig stigning i effektiviteten af ​​varmeoverførsel i nanostrukturer en realitet.

"I materialeanalysen ser forskere sædvanligvis på egenskaberne af en prøve af fast morfologi. Vi har beskrevet et helt spektrum af mulige overflademorfologier af EuSi2. En avanceret teoretisk model og præcise målinger har givet os mulighed for første gang nøjagtigt at spore, hvordan vibrationerne i krystalgitteret i et nanomateriale ændres afhængigt af dets placering på substratet, "understregede Dr. Piekarz.

Forskningen om europiumsilicid -nanostrukturer, finansieret af Helmholtz Foreningen, Karlsruhe Institute of Technology (projekt VH-NG-625) og på den polske side ved HARMONIA-bevillingen fra det polske nationale videnskabscenter, er af grundlæggende karakter. Imidlertid, den opnåede viden, især med hensyn til krystalgitterets vibrationer, der forekommer ved grænsefladen mellem tilstødende nano -øer og de relaterede drastiske ændringer i varmetransporten, er universel. Efter passende tilpasning, dette fænomen vil give forskere mulighed for at designe andre nanomaterialer end europiumsilicid med skræddersyede termiske egenskaber.