Ofta beundrad för sitt perfekta utseende för blotta ögat, kristaller kan ha defekter på nanometerskala, och dessa brister kan påverka de termiska och värmetransportegenskaperna hos kristallina material som används i en mängd olika högteknologiska enheter.

Använder nyutvecklade elektronmikroskopitekniker, forskare vid University of California, Irvine och andra institutioner har, för första gången, mätte spektra av fononer - kvantmekaniska vibrationer i ett gitter - vid individuella kristallina fel, och de upptäckte spridningen av fononer nära bristerna. Teamets resultat är föremål för en studie som nyligen publicerades i Natur .

"Punktfel, dislokationer, staplingsfel och korngränser finns ofta i kristallina material, och dessa defekter kan ha en betydande inverkan på ett ämnes värmeledningsförmåga och termoelektriska prestanda, " sa senior medförfattare Xiaoqing Pan, UCI:s Henry Samueli Endowed Chair in Engineering, samt professor i materialvetenskap och teknik och fysik &astronomi.

Han sa att det finns gott om teorier för att förklara växelverkan mellan kristallimperfektioner och fononer men lite experimentell validering på grund av oförmågan hos tidigare metoder för att se fenomenen med tillräckligt hög utrymmes- och momentumupplösning. Pan och hans medarbetare närmade sig problemet genom den nya utvecklingen av rymd- och momentumupplöst vibrationsspektroskopi i ett transmissionselektronmikroskop vid UCI:s Irvine Materials Research Institute.

Med denna teknik, de kunde observera individuella defekter i kubisk kiselkarbid, ett material med ett brett spektrum av tillämpningar i elektroniska enheter. Pan och hans kollegor var bekanta med hur defekter i kiselkarbid visar sig som staplingsfel, och teoretiskt arbete har beskrivit de termoelektriska effekterna, men nu har teamet tagit fram direkta experimentella data för att karakterisera fononinteraktioner med de individuella defekterna.

"Vår metod öppnar för möjligheten att studera de lokala vibrationslägena vid inneboende och icke-inneboende defekter i material, sa Pan, som också är chef för IMRI och UCI:s centrum för komplexa och aktiva material, finansierat av National Science Foundation. "Vi förväntar oss att det kommer att hitta viktiga tillämpningar inom många olika områden, allt från studiet av termiskt motstånds-inducerande gränssnittsfononer till defekta strukturer konstruerade för att optimera ett materials termiska egenskaper."