Eftersom elektronisk, termoelektrisk och datorteknik har miniatyriserats till nanometerskala, har ingenjörer ställts inför en utmaning att studera grundläggande egenskaper hos de inblandade materialen; i många fall är målen för små för att kunna observeras med optiska instrument.

Med hjälp av banbrytande elektronmikroskop och nya tekniker har ett team av forskare vid University of California, Irvine, Massachusetts Institute of Technology och andra institutioner hittat ett sätt att kartlägga fononer – vibrationer i kristallgitter – i atomär upplösning, vilket möjliggör djupare förståelse av hur värme färdas genom kvantpunkter, konstruerade nanostrukturer i elektroniska komponenter.

För att undersöka hur fononer sprids av brister och gränssnitt i kristaller, undersökte forskarna det dynamiska beteendet hos fononer nära en enda kvantprick av kisel-germanium med hjälp av vibrationselektronenergiförlustspektroskopi i ett transmissionselektronmikroskop, utrustning inrymd i Irvine Materials Research Institute på UCI campus. Resultaten av projektet är föremål för en artikel publicerad idag i Nature .

"Vi utvecklade en ny teknik för att differentiellt kartlägga fononmomenta med atomär upplösning, vilket gör att vi kan observera icke-jämviktsfononer som bara existerar nära gränssnittet", säger medförfattaren Xiaoqing Pan, UCI-professor i materialvetenskap och teknik och fysik, Henry Samueli Endowed Ordförande i teknik och IMRI-direktör. "Detta arbete markerar ett stort framsteg på området eftersom det är första gången vi har kunnat tillhandahålla direkta bevis för att samspelet mellan diffusiv och spegelreflektion till stor del beror på den detaljerade atomistiska strukturen."

Enligt Pan, på atomär skala, transporteras värme i fasta material som en våg av atomer som förskjuts från sin jämviktsposition när värmen rör sig bort från den termiska källan. I kristaller, som har en ordnad atomstruktur, kallas dessa vågor fononer:vågpaket av atomförskjutningar som bär termisk energi lika med deras vibrationsfrekvens.

Med hjälp av en legering av kisel och germanium kunde teamet studera hur fononer beter sig i den oordnade miljön av kvantpunkten, i gränssnittet mellan kvantpunkten och det omgivande kislet, och runt den kupolformade ytan av kvantpunktsnanostrukturen sig själv.

"Vi fann att SiGe-legeringen presenterade en sammansättningsstörd struktur som hindrade den effektiva fortplantningen av fononer," sa Pan. "Eftersom kiselatomer är närmare varandra än germaniumatomer i sina respektive rena strukturer sträcker legeringen ut kiselatomerna lite. På grund av denna stam upptäckte UCI-teamet att fononer mjukades upp i kvantpunkten på grund av töjningen och legeringseffekten konstruerad inom nanostrukturen."

Pan tillade att mjukade fononer har mindre energi, vilket innebär att varje fonon bär mindre värme, vilket minskar värmeledningsförmågan som ett resultat. Uppmjukningen av vibrationer ligger bakom en av de många mekanismerna för hur termoelektriska enheter hindrar värmeflödet.

Ett av de viktigaste resultaten av projektet var utvecklingen av en ny teknik för att kartlägga riktningen för de termiska bärarna i materialet. "Detta är analogt med att räkna hur många fononer som går upp eller ner och ta skillnaden, vilket indikerar deras dominerande utbredningsriktning," sa han. "Denna teknik gjorde det möjligt för oss att kartlägga reflektionen av fononer från gränssnitt."

Elektronikingenjörer har lyckats miniatyrisera strukturer och komponenter inom elektronik i en sådan grad att de nu är nere i storleksordningen en miljarddels meter, mycket mindre än våglängden för synligt ljus, så dessa strukturer är osynliga för optiska tekniker.

"Framsteg inom nanoteknik har överträffat framstegen inom elektronmikroskopi och spektroskopi, men med den här forskningen börjar vi processen att komma ikapp", säger medförfattaren Chaitanya Gadre, doktorand i Pans grupp vid UCI.

Ett troligt område att dra nytta av denna forskning är termoelektrik - materialsystem som omvandlar värme till elektricitet. "Utvecklare av termoelektriska teknologier strävar efter att designa material som antingen hindrar termisk transport eller främjar flödet av laddningar, och kunskap på atomnivå om hur värme överförs genom fasta ämnen inbäddade som de ofta är med fel, defekter och ofullkomligheter, kommer att hjälpa till i denna strävan ", sa medförfattaren Ruqian Wu, UCI-professor i fysik och astronomi.

"Mer än 70 procent av energin som produceras av mänskliga aktiviteter är värme, så det är absolut nödvändigt att vi hittar ett sätt att återvinna detta till en användbar form, helst el för att driva mänsklighetens ökande energibehov," sa Pan. + Utforska vidare

Forskare mäter lokala vibrationslägen vid individuella kristallina fel