Phonon-dynamikk muliggjør en dypere forståelse av hvordan varme beveger seg gjennom kvanteprikker

Ettersom elektroniske, termoelektriske og datateknologier har blitt miniatyrisert til nanometerskala, har ingeniører møtt en utfordring med å studere grunnleggende egenskaper til materialene som er involvert; i mange tilfeller er målene for små til å kunne observeres med optiske instrumenter.

Ved å bruke banebrytende elektronmikroskoper og nye teknikker har et team av forskere ved University of California, Irvine, Massachusetts Institute of Technology og andre institusjoner funnet en måte å kartlegge fononer—vibrasjoner i krystallgitter — i atomoppløsningsom muliggjør en dypere forståelse av måten varmen beveger seg gjennom kvanteprikkerkonstruerte nanostrukturer i elektroniske komponenter.

For å undersøke hvordan fononer blir spredt av feil og grensesnitt i krystaller, undersøkte forskerne den dynamiske oppførselen til fononer nær en enkelt kvanteprikk av silisiumgermanium ved å bruke vibrasjonselektronenergitapsspektroskopi i en transmisjonselektronmikroskop, utstyr plassert i Irvine Materials Research Institute på UCI-campus. Resultatene av prosjektet er gjenstand for en artikkel publisert i dag i Natur.

“Vi utviklet en ny teknikk for å differensielt kartlegge fononmomenta med atomisk oppløsning, som gjør oss i stand til å observere ikke-likevektsfononer som bare eksisterer nær grensesnittet,” sa medforfatter Xiaoqing Pan, UCI professor i materialvitenskap og ingeniørfag og fysikk, Henry Samueli Endowed Leder i ingeniørfag, og IMRI-direktør. “Dette arbeidet markerer et stort fremskritt på feltet fordi det er første gang vi har vært i stand til å gi direkte bevis på at samspillet mellom diffusiv og speilrefleksjon i stor grad avhenger av den detaljerte atomistiske strukturen.”

I følge Pan, på atomskala, transporteres varme inn solide materialer som en bølge av atomer fortrengt fra sin likevektsposisjon når varme beveger seg bort fra den termiske kilden. I krystaller, som har en bestilt Atomstrukturkalles disse bølgene fononer: bølgepakker med atomforskyvninger som bærer Termisk energi lik deres vibrasjonsfrekvens.

Ved å bruke en legering av silisium og germanium var teamet i stand til å studere hvordan fononer oppfører seg i det uordnede miljøet til kvanteprikken, i grensesnittet mellom kvanteprikken og det omkringliggende silisiumet, og rundt den kuppelformede overflaten av kvanteprikkens nanostruktur. seg selv.

“Vi fant ut at SiGe-legeringen presenterte en sammensetningsforstyrret struktur som hindret effektiv forplantning av fononer,” sa Pan. “Fordi silisiumatomer er nærmere hverandre enn germaniumatomer i sine respektive rene strukturer, strekker legeringen silisiumatomene litt. På grunn av denne belastningen oppdaget UCI-teamet at fononer ble myknet i kvanteprikken på grunn av tøyningen og legeringseffekten konstruert innenfor nanostrukturen.”

Pan la til at mykede fononer har mindre energi, noe som betyr at hver fonon bærer mindre varme, noe som reduserer termisk ledningsevne som et resultat. Oppmykning av vibrasjoner ligger bak en av de mange mekanismene for hvordan termoelektriske enheter hindrer varmestrømmen.

Et av hovedresultatene av prosjektet var utviklingen av en ny teknikk for å kartlegge retningen til de termiske bærerne i materialet. “Dette er analogt med å telle hvor mange fononer som går opp eller ned og tar forskjellen, noe som indikerer deres dominerende forplantningsretning,” sa han. “Denne teknikken tillot oss å kartlegge refleksjonen av fononer fra grensesnitt.”

Elektronikkingeniører har lykkes med å miniatyrisere strukturer og komponenter i elektronikk i en slik grad at de nå er nede i størrelsesorden en milliarddels meter, mye mindre enn bølgelengden til synlig lys, så disse strukturene er usynlige for optiske teknikker.

“Fremskritt innen nanoingeniør har overgått fremskritt innen elektronmikroskopi og spektroskopi, men med denne forskningen begynner vi prosessen med å ta igjen,” sa medforfatter Chaitanya Gadre, en doktorgradsstudent i Pans gruppe ved UCI.

Et sannsynlig felt for å dra nytte av denne forskningen er termoelektrikk – materialsystemer som konverterer varme til elektrisitet. “Utviklere av termoelektriske teknologier forsøker å designe materialer som enten hindrer termisk transport eller fremmer flyt av ladninger, og kunnskap på atomnivå om hvordan varme overføres gjennom faste stoffer innebygd slik de ofte er med feil, defekter og ufullkommenheter, vil hjelpe i denne søken. ,” sa medforfatter Ruqian Wu, UCI-professor i fysikk og astronomi.

“Mer enn 70 prosent av energien som produseres av menneskelige aktiviteter er varme, så det er viktig at vi finner en måte å resirkulere dette tilbake til en brukbar form, fortrinnsvis elektrisitet for å drive menneskehetens økende energibehov,” sa Pan.

---

---