Store bølge-vektor fonontilstande i silicium nanomembraner

(Phys.org) — Modificerede storbølgevektorfononer i halvledermembraner via hård røntgen-termisk diffus spredning (TDS) blev observeret, som giver ny indsigt i nanomaterialers grundlæggende termiske og elektroniske egenskaber. Observationen af ​​røntgen-TDS fra suspenderede siliciummembraner med tykkelser under 10 nm udvider i høj grad rækken af ​​materialer, for hvilke disse vibrationstilstande kan studeres. At forstå fononindeslutning i nanostrukturer vil muliggøre kontrol af termisk, optisk, og elektriske transportegenskaber.

Ved at bruge den høje glans af den avancerede fotonkilde ved Center for Nanoscale Materials (CNM) Hard X-Ray Nanoprobe beamline, holdet analyserede kvantitativt TDS-signalet fra zonegrænsefononer og gav indsigt i nanostrukturers gitterdynamik. Holdet inkluderede forskere fra CNM's X-Ray Microscopy and Nanofabrication &Devices-grupper ved Argonne National Laboratory, University of Wisconsin-Madison, og European Synchrotron Radiation Facility.

Observationen af ​​fononaktivitet med stor bølgevektor i halvledermembraner i nanoskala gennem synkrotron røntgen-TDS demonstrerer potentialet for fundamentalt ny eksperimentel indsigt i den dynamiske opførsel af faste stoffer i nanoskala. Store bølge-vektor gittervibrationer har relativt mindre bølgelængder og spiller således en stadig vigtigere rolle i energioverførsel og elektronmobilitet på nanoskala. Et vigtigt træk ved disse tilstande er, at de er væsentligt mindre følsomme over for spredning fra grænseflader og defekter end deres modstykker med små bølgevektorer. Undersøgelse af disse vibrationer i materialer i nanoskala er blevet fundamentalt begrænset både af lavbølge-vektorgrænsen for optiske spredningsteknikker og af de store prøvevolumenkrav til røntgen- og neutron-uelastiske spredningsteknikker.

Synchrotron X-ray TDS tillader samtidig indsamling af vibrationsinformation over et stort område af gensidigt rum, der præcist kan relateres til fononernes bølgevektorer. Fordelingen af ​​TDS-intensitet kan analyseres for at bestemme fononspredningen - som er forholdet mellem vibrationernes frekvens og bølgevektor. I dette eksperiment, TDS teknikker blev tilpasset til brug i nanoskala systemer. Analysen af ​​afvigelserne fra bulk-TDS-intensiteter observeret her ved store bølge-vektorer viser, at spredningen af ​​storbølge-vektor-fononer i siliciummembraner med tykkelser på snesevis af nanometer og mindre er stærkt påvirket af udviklingen af ​​nye vibrationstilstande, som opstår, fordi membranen ikke er mekanisk begrænset på dens overflader. Denne tilgang vil tillade den eksperimentelle undersøgelse og efterfølgende konstruktion af fononer i nanostrukturer at bevæge sig ud over tilnærmelser, der kun er gyldige i lavbølge-vektor-regimet. Resultaterne bidrager til en udvidet værktøjskasse til design af nye termiske og elektroniske enheder.