Ny forskning ger insikter om hur kristallförskjutningar - en vanlig typ av materialfel - kan påverka elektrisk och värmetransport genom kristaller, i mikroskop, kvantmekanisk nivå.

Dislokationer i kristaller är platser där den ordnade tredimensionella strukturen hos ett kristallgitter-vars uppläggning av atomer upprepas med exakt samma avstånd-störs. Effekten är som om en kniv hade skurit igenom kristallen och sedan bitarna satt ihop igen, skev från sina ursprungliga positioner. Dessa defekter har en stark effekt på fononer, de gittervibrationssätt som spelar en roll i de termiska och elektriska egenskaperna hos kristallerna genom vilka de rör sig. Men en exakt förståelse av mekanismen för dislokation-fonon-interaktionen har varit svårfångad och kontroversiell, vilket har bromsat framstegen mot att använda dislokationer för att skräddarsy materialens termiska egenskaper.

Ett team på MIT har kunnat lära sig viktiga detaljer om hur dessa interaktioner fungerar, vilket kan informera framtida ansträngningar att utveckla termoelektriska enheter och andra elektroniska system. Resultaten rapporteras i tidningen Nano bokstäver , i ett papper medförfattare av postdoc Mingda Li, Institutionen för maskinteknik, professor Gang Chen, den avlidne institutprofessorn Emerita Mildred Dresselhaus, och fem andra.

Dislokationer - som Li beskriver som "atomära oegentligheter i en vanlig kristall" - är mycket vanliga defekter i kristaller, och de påverkar, till exempel, hur värme försvinner genom ett kiselmikrochip eller hur väl ström flyter genom en kiselpanel.

Det har funnits två konkurrerande tillvägagångssätt för att förklara fonon-dislokationsinteraktioner, Li förklarar, och några andra frågor om dem har förblivit olösta. Nu, MIT -teamet har hittat en ny matematisk metod för att analysera sådana system, med hjälp av en ny kvasipartikel som de formulerade kallas en "dislon, "som är en kvantiserad version av en dislokation, som verkar lösa dessa långvariga mysterier.

"Människor har försökt lära sig hur dislokationerna förändrar materialegenskaperna - de elektriska och termiska egenskaperna, "Säger Li." Innan nu, det fanns många empiriska modeller, som behöver anpassade parametrar för att vara fullständiga. Det var en lång debatt om arten av fononspridning i dislokationer. "

Den nya teorin, Li säger, har en annan utgångspunkt, eftersom den är baserad på rigorös kvantfältsteori. Det verkar lösa ett antal problem, inklusive en debatt mellan två åsikter som kallas dynamiska och statiska spridningsmetoder, visar att de är helt enkelt
två extrema fall inom denna nya ram. Och medan båda dessa tillvägagångssätt misslyckas med att förklara beteende på nanoskala, det nya tillvägagångssättet fungerar bra i sådana skalor.

Fynden kan påverka sökandet efter bättre termoelektriska material, som kan omvandla värme till el. Dessa används för att generera kraft från spillvärme, eller tillhandahålla värmare för bilbarnstolar. Termoelektriska system kan också ge kylning, för kalla drycker, till exempel.

Chen, som är Carl Richard Soderberg professor i kraftteknik, tillskriver de nya resultaten till Li:s initiativ. "Jag lade inte så mycket hopp om det, "Sa Chen." Det är ett ganska komplext problem:hur dislokationer påverkar dessa mycket viktiga egenskaper. ... Jag blev mycket förvånad när han kom tillbaka med denna nya teori. Han utgår från grundläggande principer och härledde en kvantbeskrivning för det. "

Li och hans team har gjort "ett genombrott genom att kunna redogöra för dislokationsstamfältets långsiktiga natur, genom att behandla det som ett nytt kvantmekaniskt objekt som kallas dislon, "säger Jeffery Snyder, professor vid Northwestern University, som inte var kopplad till detta arbete. "Att kombinera detta med den kvantmekaniska behandlingen av dislon-elektroninteraktionen kan leda till nya strategier för att optimera material genom att använda metallurgiska metoder för att konstruera strukturen, typ, och plats för dislokationer i ett material. "

"Dislokationer har djupgående effekter på materialegenskaper, men fram till nu har belastningsfältets långa räckvidd förhindrat direkta beräkningar av dislokationseffekter, "säger David J. Singh, en professor vid University of Missouri som inte heller var inblandad i detta arbete. "Kvantiseringen som utvecklats i detta dokument går långt för att lösa dessa problem. Jag förväntar mig att denna nya formalism kommer att leda till en mycket bättre förståelse för effekterna av dislokationer på materialens elektriska och termiska egenskaper. Detta arbete är ett stort steg framåt. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.