Vaak bewonderd om hun onberispelijke verschijning met het blote oog, kristallen kunnen defecten hebben op nanometerschaal, en deze onvolkomenheden kunnen de thermische en warmtetransporteigenschappen van kristallijne materialen die in een verscheidenheid aan hoogtechnologische apparaten worden gebruikt, beïnvloeden.

Gebruikmakend van nieuw ontwikkelde elektronenmicroscopietechnieken, onderzoekers van de Universiteit van Californië, Irvine en andere instellingen hebben, Voor de eerste keer, de spectra van fononen gemeten - kwantummechanische trillingen in een rooster - bij individuele kristallijne fouten, en ze ontdekten de verspreiding van fononen in de buurt van de gebreken. De bevindingen van het team zijn het onderwerp van een onderzoek dat onlangs is gepubliceerd in Natuur .

"Punt defecten, dislocaties, stapelfouten en korrelgrenzen komen vaak voor in kristallijne materialen, en deze defecten kunnen een aanzienlijke impact hebben op de thermische geleidbaarheid en thermo-elektrische prestaties van een stof, ", zei senior co-auteur Xiaoqing Pan, UCI's Henry Samueli Endowed Chair in Engineering, evenals een professor in materiaalkunde en techniek en natuurkunde en astronomie.

Hij zei dat er voldoende theorieën zijn om de interacties tussen kristalimperfecties en fononen te verklaren, maar weinig experimentele validatie vanwege het onvermogen van eerdere methoden om de verschijnselen te bekijken met een voldoende hoge ruimte- en momentumresolutie. Pan en zijn medewerkers benaderden het probleem door de nieuwe ontwikkeling van ruimte- en momentum-opgeloste vibratiespectroscopie in een transmissie-elektronenmicroscoop bij het Irvine Materials Research Institute van de UCI.

Met deze techniek, ze waren in staat om individuele defecten in kubisch siliciumcarbide waar te nemen, een materiaal met een breed scala aan toepassingen in elektronische apparaten. Pan en zijn collega's waren bekend met hoe onvolkomenheden in siliciumcarbide zich manifesteren als stapelfouten, en theoretisch werk heeft de thermo-elektrische effecten beschreven, maar nu heeft het team directe experimentele gegevens geproduceerd om fonon-interacties met de individuele defecten te karakteriseren.

"Onze methode opent de mogelijkheid om de lokale vibratiemodi te bestuderen bij intrinsieke en niet-intrinsieke defecten in materialen, " zei Pan, die tevens directeur is van IMRI en UCI's Center for Complex and Active Materials, gefinancierd door de National Science Foundation. "We verwachten dat het belangrijke toepassingen zal vinden op veel verschillende gebieden, variërend van de studie van thermische weerstand-inducerende interfaciale fononen tot defecte structuren die zijn ontworpen om de thermische eigenschappen van een materiaal te optimaliseren."