De trillingsbeweging van een atoom in een kristal plant zich voort naar naburige atomen, wat leidt tot golfachtige voortplanting van de trillingen door het kristal. De manier waarop deze natuurlijke trillingen door de kristallijne structuur reizen, bepaalt de fundamentele eigenschappen van het materiaal. Bijvoorbeeld, deze trillingen bepalen hoe goed warmte en elektronen het materiaal kunnen passeren, en hoe het materiaal interageert met licht.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers hebben aangetoond dat door slechts een klein deel van de atomen van een materiaal uit te wisselen met atomen van een ander element, ze kunnen de snelheid en frequenties van deze trillingen regelen. Deze demonstratie, gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven , biedt een mogelijk eenvoudigere en goedkopere manier om de eigenschappen van een materiaal af te stemmen, waardoor een breed scala aan nieuwe en efficiëntere apparaten mogelijk is, zoals in solid-state verlichting en elektronica.

De natuurlijke trillingen van een kristallijn materiaal reizen als deeltjes die fononen worden genoemd. Deze fononen dragen warmte, elektronen verstrooien, en beïnvloeden de interacties van elektronen met licht. Eerder, onderzoekers controleerden fononen door het materiaal in kleinere stukken te verdelen waarvan de grenzen de fononen kunnen verstrooien, hun beweging beperken. Recenter, onderzoekers hebben structuren op nanoschaal ontworpen, zoals nanodraden, in het materiaal om de snelheid en frequenties van fononen te manipuleren.

Een team van onderzoekers van de Universiteit van Californië, Riverside en de Universiteit van Californië, San Diego heeft nu ontdekt dat je door doping - verschillende elementen in het materiaal te introduceren - fononen kunt beheersen. De onderzoekers doopten aluminiumoxide met neodymium, die een deel van de aluminiumatomen vervangt. Omdat neodymium groter en massiever is dan aluminium, het verandert de trillingseigenschappen van het materiaal, veranderen hoe fononen kunnen reizen.

"Het introduceert vervorming in het rooster, die over een grote afstand aanhoudt in vergelijking met de atoomgrootte, en beïnvloedt het hele trillingsspectrum, " zei Alexander Balandin van de Universiteit van Californië, Rivieroever.

Met behulp van een nieuwe methode om gelijkmatig gedoteerde kristallen te produceren en nieuwe gevoelige instrumenten om het fononspectrum te meten, de onderzoekers toonden aan, Voor de eerste keer, dat zelfs een klein aantal van bepaalde doteringen een grote impact kan hebben. "Deze benadering biedt een nieuwe manier om het trillingsspectrum van materialen af ​​te stemmen, ' zei Balandin.

Eerder, onderzoekers gingen ervan uit dat elk significant effect op fononen een zeer hoge concentratie aan doteermiddelen zou vereisen. Maar, het team ontdekte dat gedoteerd aluminiumoxide met een neodymiumdichtheid van slechts 0,1 procent voldoende was om de fononfrequentie met enkele gigahertz en de snelheid met 600 meter per seconde te verlagen.

Het verhogen van de fononsnelheden verhoogt de thermische geleidbaarheid van een materiaal, waardoor kleine transistors sneller kunnen afkoelen. vertragende fononen, anderzijds, nuttig zou zijn bij het maken van efficiëntere thermo-elektrische apparaten, die elektriciteit omzetten in warmte en omgekeerd. Verder, in optische apparaten zoals light-emitting diodes, het vertragen van fononen en het onderdrukken van fonon-interacties met elektronen zou betekenen dat er meer energie wordt gebruikt om fotonen (licht) te produceren en dat er minder verloren gaat als warmte.

De onderzoekers passen hun strategie nu toe op andere doteermiddelen en materialen, zoals galliumarsenide, met het oog op de ontwikkeling van energiezuinige apparaten, zei Balandin.