Forskere måler lokale vibrationstilstande ved individuelle krystallinske fejl

Ofte beundret for deres fejlfrie udseende med det blotte øje, krystaller kan have defekter på nanometerskalaen, og disse ufuldkommenheder kan påvirke de termiske og varmetransportegenskaber af krystallinske materialer, der anvendes i en række højteknologiske enheder.

Anvender nyudviklede elektronmikroskopiteknikker, forskere ved University of California, Irvine og andre institutioner har, for første gang, målte spektre af fononer - kvantemekaniske vibrationer i et gitter - ved individuelle krystallinske forkastninger, og de opdagede udbredelsen af ​​fononer nær fejlene. Holdets resultater er genstand for en undersøgelse offentliggjort for nylig i Natur .

"Punktfejl, forskydninger, stablingsfejl og korngrænser findes ofte i krystallinske materialer, og disse defekter kan have en betydelig indvirkning på et stofs termiske ledningsevne og termoelektriske ydeevne, " sagde senior medforfatter Xiaoqing Pan, UCI's Henry Samueli Begavet Chair in Engineering, samt professor i materialevidenskab og teknik og fysik &astronomi.

Han sagde, at der er rigelige teorier til at forklare interaktionerne mellem krystalfejl og fononer, men lidt eksperimentel validering på grund af tidligere metoders manglende evne til at se fænomenerne ved høj nok plads og momentumopløsning. Pan og hans samarbejdspartnere nærmede sig problemet gennem den nye udvikling af rum- og momentum-opløst vibrationsspektroskopi i et transmissionselektronmikroskop ved UCI's Irvine Materials Research Institute.

Med denne teknik, de var i stand til at observere individuelle defekter i kubisk siliciumcarbid, et materiale med en bred vifte af anvendelser i elektroniske enheder. Pan og hans kolleger var bekendt med, hvordan ufuldkommenheder i siliciumcarbid viser sig som stablingsfejl, og teoretisk arbejde har beskrevet de termoelektriske påvirkninger, men nu har teamet produceret direkte eksperimentelle data til karakterisering af fononinteraktioner med de enkelte defekter.

"Vores metode åbner mulighed for at studere de lokale vibrationstilstande ved iboende og ikke-iboende defekter i materialer, " sagde Pan, som også er direktør for IMRI og UCI's Center for komplekse og aktive materialer, finansieret af National Science Foundation. "Vi forventer, at det vil finde vigtige anvendelser på mange forskellige områder, lige fra undersøgelsen af ​​termiske modstandsfremkaldende grænsefladefononer til defekte strukturer konstrueret til at optimere et materiales termiske egenskaber. "