En bedre måde at kontrollere krystalvibrationer på

Vibrationsbevægelsen af ​​et atom i en krystal forplanter sig til tilstødende atomer, hvilket fører til bølgelignende spredning af vibrationerne gennem krystallen. Den måde, hvorpå disse naturlige vibrationer bevæger sig gennem den krystallinske struktur, bestemmer materialets grundlæggende egenskaber. For eksempel, disse vibrationer bestemmer, hvor godt varme og elektroner kan krydse materialet, og hvordan materialet interagerer med lys.

Nu, forskere har vist, at ved blot at skifte en lille brøkdel af et materiales atomer ud med atomer af et andet element, de kan styre hastigheden og frekvenserne af disse vibrationer. Denne demonstration, udgivet i Anvendt fysik bogstaver , giver en potentielt enklere og billigere måde at justere et materiales egenskaber på, muliggør en lang række nye og mere effektive enheder, såsom i solid-state belysning og elektronik.

De naturlige vibrationer i et krystallinsk materiale bevæger sig som partikler kaldet fononer. Disse fononer bærer varme, spred elektroner, og påvirker elektroners interaktioner med lys. Tidligere har forskere kontrollerede fononer ved at opdele materialet i mindre stykker, hvis grænser kan sprede fononerne, begrænser deres bevægelse. For nylig, forskere har konstrueret nanoskala strukturer, såsom nanotråde, ind i materialet for at manipulere phonons hastighed og frekvenser.

Et team af forskere fra University of California, Riverside og University of California, San Diego har nu fundet ud af, at ved at doping - indføre forskellige elementer i materialet - kan du styre fononer. Forskerne dopede aluminiumoxid med neodym, som erstatter nogle af aluminiumatomerne. Fordi neodym er større og mere massivt end aluminium, det ændrer materialets vibrationsegenskaber, ændre hvordan fononer kan rejse.

"Det introducerer forvrængning af gitteret, som vedvarer over en stor afstand i forhold til atomstørrelsen, og påvirker hele vibrationsspektret, "sagde Alexander Balandin fra University of California, Riverside.

Ved hjælp af en ny metode til fremstilling af jævnt dopede krystaller og nye følsomme instrumenter til måling af fononspektret, forskerne viste, for første gang, at selv et lille antal bestemte dopinger kan have stor indflydelse. "Denne tilgang giver en ny måde at indstille vibrationsspektret af materialer på, "Sagde Balandin.

Tidligere har forskere antog, at enhver væsentlig effekt på fononer ville kræve en meget høj koncentration af dopemidler. Men, teamet fandt ud af, at dopet aluminiumoxid med en neodymtæthed på kun 0,1 procent var nok til at sænke fononfrekvensen med et par gigahertz og hastigheden med 600 meter i sekundet.

Forøgelse af fononhastigheder øger materialets varmeledningsevne, så små transistorer kan køle hurtigere. Langsomme fononer, på den anden side, ville være nyttig til at lave mere effektive termoelektriske enheder, som omdanner elektricitet til varme og omvendt. Desuden, i optiske enheder såsom lysemitterende dioder, bremse fononer og undertrykke fononinteraktioner med elektroner ville betyde, at der bruges mere energi til at producere fotoner (lys) og mindre går tabt som varme.

Forskerne anvender nu deres strategi på andre dopemidler og materialer, såsom galliumarsenid, med henblik på at udvikle energieffektive enheder, Sagde Balandin.