Phonon-dynamik muliggør en dybere forståelse af, hvordan varme bevæger sig gennem kvanteprikker

Da elektroniske, termoelektriske og computerteknologier er blevet miniaturiseret til nanometerskala, har ingeniører stået over for en udfordring med at studere de grundlæggende egenskaber af de involverede materialer; i mange tilfælde er målene for små til at kunne observeres med optiske instrumenter.

Ved at bruge banebrydende elektronmikroskoper og nye teknikker har et team af forskere ved University of California, Irvine, Massachusetts Institute of Technology og andre institutioner fundet en måde at kortlægge fononer – vibrationer i krystalgitre – i atomopløsning, hvilket muliggør en dybere forståelse af den måde, varme bevæger sig gennem kvanteprikker, konstruerede nanostrukturer i elektroniske komponenter.

For at undersøge, hvordan fononer spredes af fejl og grænseflader i krystaller, undersøgte forskerne den dynamiske opførsel af fononer nær en enkelt kvanteprik af silicium-germanium ved hjælp af vibrationselektronenergitabsspektroskopi i et transmissionselektronmikroskop, udstyr anbragt i Irvine Materials Research Institute på UCI campus. Resultaterne af projektet er genstand for en artikel offentliggjort i dag i Nature .

"Vi udviklede en ny teknik til differentielt at kortlægge fononmomenter med atomisk opløsning, som gør os i stand til at observere ikke-ligevægtsfononer, der kun eksisterer nær grænsefladen," sagde medforfatter Xiaoqing Pan, UCI professor i materialevidenskab og teknik og fysik, Henry Samueli Endowed Chair i Engineering, og IMRI direktør. "Dette arbejde markerer et stort fremskridt på området, fordi det er første gang, vi har været i stand til at levere direkte beviser for, at samspillet mellem diffusiv og spekulær refleksion i høj grad afhænger af den detaljerede atomistiske struktur."

Ifølge Pan, på atomær skala, transporteres varme i faste materialer som en bølge af atomer, der forskydes fra deres ligevægtsposition, når varmen bevæger sig væk fra den termiske kilde. I krystaller, som har en ordnet atomstruktur, kaldes disse bølger fononer:bølgepakker af atomforskydninger, der bærer termisk energi svarende til deres vibrationsfrekvens.

Ved hjælp af en legering af silicium og germanium var holdet i stand til at studere, hvordan fononer opfører sig i det uordnede miljø af kvanteprikken, i grænsefladen mellem kvanteprikken og det omgivende silicium og omkring den kuppelformede overflade af kvanteprikkens nanostruktur. sig selv.

"Vi fandt ud af, at SiGe-legeringen præsenterede en sammensætningsforstyrret struktur, der forhindrede den effektive udbredelse af fononer," sagde Pan. "Fordi siliciumatomer er tættere på hinanden end germaniumatomer i deres respektive rene strukturer, strækker legeringen siliciumatomerne en smule. På grund af denne stamme opdagede UCI-teamet, at fononer blev blødgjort i kvanteprikken på grund af deformationen og legeringseffekten udviklet inden for nanostrukturen."

Pan tilføjede, at blødgjorte fononer har mindre energi, hvilket betyder, at hver fonon bærer mindre varme, hvilket reducerer termisk ledningsevne som et resultat. Blødgøringen af ​​vibrationer ligger bag en af ​​de mange mekanismer for, hvordan termoelektriske enheder hæmmer varmestrømmen.

Et af de vigtigste resultater af projektet var udviklingen af ​​en ny teknik til at kortlægge retningen af ​​de termiske bærere i materialet. "Dette er analogt med at tælle, hvor mange fononer der går op eller ned og tage forskellen, hvilket indikerer deres dominerende udbredelsesretning," sagde han. "Denne teknik gjorde det muligt for os at kortlægge reflektionen af ​​fononer fra grænseflader."

Elektronikingeniører har haft held med at miniaturisere strukturer og komponenter i elektronik i en sådan grad, at de nu er nede i størrelsesordenen en milliardtedel af en meter, meget mindre end bølgelængden af ​​synligt lys, så disse strukturer er usynlige for optiske teknikker.

"Fremskridt inden for nanoteknik har overgået fremskridt inden for elektronmikroskopi og spektroskopi, men med denne forskning begynder vi processen med at indhente det," sagde medforfatter Chaitanya Gadre, en kandidatstuderende i Pans gruppe ved UCI.

Et sandsynligt område, der kan drage fordel af denne forskning, er termoelektrik - materialesystemer, der omdanner varme til elektricitet. "Udviklere af termoelektriske teknologier bestræber sig på at designe materialer, der enten hæmmer termisk transport eller fremmer strømmen af ​​ladninger, og viden på atomniveau om, hvordan varme transmitteres gennem faste stoffer indlejret, som de ofte er med fejl, defekter og ufuldkommenheder, vil hjælpe i denne søgen ," sagde medforfatter Ruqian Wu, UCI-professor i fysik og astronomi.

"Mere end 70 procent af den energi, der produceres af menneskelige aktiviteter, er varme, så det er bydende nødvendigt, at vi finder en måde at genbruge dette tilbage til en brugbar form, helst elektricitet til at forsyne menneskehedens stigende energibehov," sagde Pan. + Udforsk yderligere

Forskere måler lokale vibrationstilstande ved individuelle krystallinske fejl