Att kontrollera värmeflödet genom halvledarmaterial är en viktig utmaning för att utveckla mindre och snabbare datorchips, högpresterande solpaneler, och bättre lasrar och biomedicinska apparater.

För första gången, ett internationellt team av forskare ledda av en forskare vid University of California, Riverside har modifierat energispektrumet för akustiska fononer – elementära excitationer, kallas även kvasipartiklar, som sprider värme genom kristallina material som en våg - genom att begränsa dem till nanometerskaliga halvledarstrukturer. Resultaten har viktiga implikationer i termisk hantering av elektroniska enheter.

Leds av Alexander Balandin, Erkänd professor i elektro- och datateknik och UC:s presidentordförande professor vid UCR:s Bourns College of Engineering, forskningen beskrivs i en tidning som publicerades på torsdag, 10 november, i journalen Naturkommunikation . Uppsatsen har titeln "Direkt observation av instängda akustiska fononpolarisationsgrenar i fristående nanotrådar."

Teamet använde halvledar nanotrådar från Gallium Arsenide (GaAs), syntetiserad av forskare i Finland, och en avbildningsteknik som kallas Brillouin-Mandelstam ljusspridningsspektroskopi (BMS) för att studera fononernas rörelse genom de kristallina nanostrukturerna. Genom att ändra storleken och formen på GaAs nanostrukturer, forskarna kunde ändra energispektrumet, eller spridning, av akustiska fononer. BMS-instrumentet som används för denna studie byggdes vid UCR:s Phonon Optimized Engineered Materials (POEM) Center, som är regisserad av Balandin.

Att kontrollera fononspridning är avgörande för att förbättra värmeavlägsnande från elektroniska enheter i nanoskala, som har blivit den stora vägspärren för att låta ingenjörer fortsätta att minska sin storlek. Det kan också användas för att förbättra effektiviteten av termoelektrisk energigenerering, sa Balandin. Isåfall, Att minska värmeledningsförmågan med fononer är fördelaktigt för termoelektriska enheter som genererar energi genom att applicera en temperaturgradient på halvledare.

"I åratal, den enda tänkta metoden för att ändra den termiska konduktiviteten hos nanostrukturer var via akustisk fononspridning med nanostrukturgränser och gränssnitt. Vi demonstrerade experimentellt att genom att spatialt begränsa akustiska fononer i nanotrådar kan man ändra deras hastighet, och hur de interagerar med elektroner, magnoner, och hur de bär värme. Vårt arbete skapar nya möjligheter för att trimma termiska och elektroniska egenskaper hos halvledarmaterial, sa Balandin.