(Phys.org) -Gemodificeerde grote golf-vector fononen in halfgeleidermembranen via harde X-ray thermische diffuse verstrooiing (TDS) werden waargenomen die nieuw inzicht verschaffen in de fundamentele thermische en elektronische eigenschappen van nanomaterialen. De waarneming van X-ray TDS van gesuspendeerde siliciummembranen met een dikte van minder dan 10 nm breidt het bereik van materialen waarvoor deze trillingsmodi kunnen worden bestudeerd enorm uit. Het begrijpen van fononopsluiting in nanostructuren zal controle over thermische, optisch, en elektrische transporteigenschappen.

Met behulp van de hoge schittering van de Advanced Photon Source in het Center for Nanoscale Materials (CNM) Hard X-Ray Nanoprobe beamline, het team analyseerde kwantitatief het TDS-signaal van zonegrens fononen en verschafte inzicht in de roosterdynamiek van nanostructuren. Het team omvatte onderzoekers van de groepen X-Ray Microscopy en Nanofabrication &Devices van CNM in het Argonne National Laboratory, de Universiteit van Wisconsin-Madison, en de Europese Synchrotron-stralingsfaciliteit.

De waarneming van grote golfvector fononactiviteit in halfgeleidermembranen op nanoschaal door middel van synchrotron X-ray TDS toont het potentieel aan voor fundamenteel nieuwe experimentele inzichten in het dynamische gedrag van vaste stoffen op nanoschaal. Grote golfvectorroostervibraties hebben een relatief kleinere golflengte en spelen dus een steeds grotere rol in energieoverdracht en elektronenmobiliteit op nanoschaal. Een belangrijk kenmerk van deze modi is dat ze aanzienlijk minder gevoelig zijn voor verstrooiing door interfaces en defecten dan hun tegenhangers met kleine golfvectoren. De studie van deze trillingen in materialen op nanoschaal is fundamenteel beperkt door zowel de lage golfvectorlimiet van optische verstrooiingstechnieken als door de grote monstervolumevereisten van inelastische röntgen- en neutronenverstrooiingstechnieken.

Synchrotron X-ray TDS maakt de gelijktijdige verzameling van trillingsinformatie over een groot bereik van wederzijdse ruimte mogelijk die nauwkeurig kan worden gerelateerd aan de golfvectoren van fononen. De verdeling van de TDS-intensiteit kan worden geanalyseerd om de fonon-dispersie te bepalen, wat de relatie is tussen de frequentie en de golfvector van de trillingen. In dit experiment, TDS-technieken werden aangepast voor gebruik in systemen op nanoschaal. De analyse van de afwijkingen van de bulk-TDS-intensiteiten die hier bij grote golfvectoren zijn waargenomen, laat zien dat de dispersie van vectorfononen met grote golven in siliciummembranen met diktes in de tientallen nanometers en kleiner sterk wordt beïnvloed door de ontwikkeling van nieuwe vibratiemodi die ontstaan ​​omdat het membraan niet mechanisch wordt beperkt aan zijn oppervlakken. Deze benadering zal de experimentele studie en daaropvolgende engineering van fononen in nanostructuren mogelijk maken om verder te gaan dan benaderingen die alleen geldig zijn in het lage golf-vector regime. De resultaten dragen bij aan een uitgebreide toolbox voor het ontwerpen van nieuwe thermische en elektronische apparaten.