Undersøgelse kaster lys over interaktioner, der ændrer den måde, varme og elektricitet bevæger sig gennem mikrochips

Ny forskning giver indsigt i, hvordan krystaldislokationer - en almindelig type defekt i materialer - kan påvirke elektrisk og varmetransport gennem krystaller, ved et mikroskop, kvantemekanisk niveau.

Dislokationer i krystaller er steder, hvor den velordnede tredimensionelle struktur af et krystalgitter - hvis arrangement af atomer gentages med nøjagtig samme afstand - bliver forstyrret. Effekten er, som om en kniv havde skåret gennem krystallen, og så blev stykkerne sat sammen igen, skæve fra deres oprindelige positioner. Disse defekter har en stærk effekt på fononer, gittervibrationsmåderne, der spiller en rolle i de termiske og elektriske egenskaber af de krystaller, som de bevæger sig igennem. Men en præcis forståelse af mekanismen bag dislokation-fonon-interaktionen har været undvigende og kontroversiel, hvilket har bremset fremskridtet hen imod at bruge dislokationer til at skræddersy materialernes termiske egenskaber.

Et team på MIT har været i stand til at lære vigtige detaljer om, hvordan disse interaktioner fungerer, som kunne informere fremtidige bestræbelser på at udvikle termoelektriske enheder og andre elektroniske systemer. Resultaterne er rapporteret i tidsskriftet Nano bogstaver , i et papir medforfattet af postdoc Mingda Li, Leder af Institut for Maskinteknik, professor Gang Chen, afdøde institutprofessor Emerita Mildred Dresselhaus, og fem andre.

Dislokationer - som Li beskriver som "atomare uregelmæssigheder i en regulær krystal" - er meget almindelige defekter i krystaller, og de påvirker, for eksempel, hvordan varme spredes gennem en siliciummikrochip eller hvor godt strøm løber gennem et siliciumsolpanel.

Der har været to konkurrerende tilgange til at forklare fonon-dislokations-interaktioner, Li forklarer, og et par andre spørgsmål om dem er forblevet uløste. Nu, MIT-teamet har fundet en ny matematisk tilgang til at analysere sådanne systemer, ved at bruge en ny kvasipartikel, de formulerede kaldet en "dislon, "som er en kvantiseret version af en dislokation, som ser ud til at løse disse mangeårige mysterier.

"Folk har forsøgt at lære, hvordan dislokationerne ændrer materialets egenskaber - de elektriske og termiske egenskaber, " siger Li. "Før nu, der var mange empiriske modeller, som kræver tilpasningsparametre for at være fuldstændige. Der var en lang debat om arten af ​​fononspredning i dislokationer."

Den nye teori, Li siger, har et andet udgangspunkt, da den er baseret på streng kvantefeltteori. Det ser ud til at løse en række problemer, herunder en debat mellem to synspunkter kendt som de dynamiske og statiske spredningstilgange, viser, at de er simpelthen
to ekstreme tilfælde inden for denne nye ramme. Og selvom begge disse tilgange ikke formår at forklare adfærd på nanoskala, den nye tilgang fungerer godt i sådanne skalaer.

Resultaterne kan påvirke søgen efter bedre termoelektriske materialer, som kan omdanne varme til elektricitet. Disse bruges til at generere strøm fra spildvarme, eller levere varmeapparater til autostole. Termoelektriske systemer kan også levere køling, til kolde drikkekister, for eksempel.

Chen, hvem er Carl Richard Soderberg professor i energiteknik, tilskriver de nye resultater Lis initiativ. "Jeg havde ikke så meget håb i det, " sagde Chen. "Det er et ret komplekst problem:hvordan dislokationer påvirker disse meget vigtige egenskaber. ... Jeg blev meget overrasket, da han kom tilbage med denne nye teori. Han tog udgangspunkt i grundlæggende principper og udledte en kvantebeskrivelse for det."

Li og hans team har fået "et gennembrud ved at være i stand til at redegøre for langrækkende karakter af dislokationsbelastningsfeltet, ved at behandle det som et nyt kvantemekanisk objekt kaldet dislon, " siger Jeffery Snyder, professor ved Northwestern University, som ikke var knyttet til dette værk. "At kombinere dette med den kvantemekaniske behandling af dislon-elektron-interaktionen kan føre til nye strategier til at optimere materialer ved at bruge metallurgiske tilgange til at konstruere strukturen, type, og placering af dislokationer i et materiale."

"Forskydninger har dybtgående virkninger på materialers egenskaber, men indtil nu har belastningsfeltets langtrækkende karakter forhindret direkte beregninger af dislokationseffekter, " siger David J. Singh, en professor ved University of Missouri, som heller ikke var involveret i dette arbejde. "Kvantiseringen, der er udviklet i dette papir, er en lang vej til at løse disse problemer. Jeg forventer, at denne nye formalisme vil føre til en stærkt forbedret forståelse af virkningerne af dislokationer på materialers elektriske og termiske egenskaber. Dette arbejde er et stort skridt fremad. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.