(a) Karta över termisk diffus spridning av hårdröntgen som uppstår från fononer med vågvektorer över hela Brillouin-zonen av (b) suspenderade kiselmembranskivor med tjocklek i nanometerskala. (c) Spridningsresultat uppvisar ett överskott av intensitet vid stora vågvektorer i överensstämmelse med en effektiv uppmjukning av membranet på grund av nya böjnings- och dilitationsfononlägen.
(Phys.org) —Modifierade storvågsvektorfononer i halvledarmembran via hårdröntgentermisk diffus spridning (TDS) observerades som ger ny insikt om de grundläggande termiska och elektroniska egenskaperna hos nanomaterial. Observationen av röntgen-TDS från suspenderade kiselmembran med tjocklekar under 10 nm utökar enormt utbudet av material för vilka dessa vibrationslägen kan studeras. Att förstå fononinneslutning i nanostrukturer kommer att möjliggöra kontroll av termisk, optisk, och elektriska transportegenskaper.
Genom att använda den höga briljansen hos Advanced Photon Source vid Center for Nanoscale Materials (CNM) Hard X-Ray Nanoprobe beamline, teamet analyserade kvantitativt TDS-signalen från zongränsfononer och gav insikt i gitterdynamiken hos nanostrukturer. Teamet inkluderade forskare från CNM:s röntgenmikroskopi och nanofabrication &Devices-grupper vid Argonne National Laboratory, University of Wisconsin-Madison, och European Synchrotron Radiation Facility.
Observationen av fononaktivitet med stor vågvektor i halvledarmembran i nanoskala genom synkrotronröntgen TDS visar potentialen för fundamentalt nya experimentella insikter om det dynamiska beteendet hos fasta ämnen i nanoskala. Stora våg-vektor gittervibrationer har relativt mindre våglängder och spelar därmed en allt viktigare roll i energiöverföring och elektronrörlighet på nanoskala. En viktig egenskap hos dessa lägen är att de är betydligt mindre känsliga för spridning från gränssnitt och defekter än deras motsvarigheter med små vågvektorer. Studie av dessa vibrationer i material i nanoskala har i grunden begränsats både av lågvågsvektorgränsen för optiska spridningstekniker och av de stora provvolymkraven för röntgen- och neutronoelastiska spridningstekniker.
Synchrotron X-ray TDS tillåter samtidig insamling av vibrationsinformation över ett stort intervall av ömsesidigt utrymme som exakt kan relateras till fononernas vågvektorer. Fördelningen av TDS-intensitet kan analyseras för att bestämma fononspridningen - vilket är förhållandet mellan vibrationernas frekvens och vågvektor. I detta experiment, TDS-tekniker anpassades för användning i nanoskalasystem. Analysen av avvikelserna från bulk-TDS-intensiteter som observerats här vid stora vågvektorer visar att spridningen av storvågsvektorfononer i kiselmembran med tjocklekar på tiotals nanometer och mindre påverkas starkt av utvecklingen av nya vibrationsmoder som uppstår eftersom membranet inte är mekaniskt begränsat vid sina ytor. Detta tillvägagångssätt kommer att tillåta den experimentella studien och efterföljande konstruktion av fononer i nanostrukturer att gå bortom approximationer som endast är giltiga i lågvågsvektorregimen. Resultaten bidrar till en utökad verktygslåda för design av nya termiska och elektroniska enheter.
