Het beheersen van de warmtestroom door halfgeleidermaterialen is een belangrijke uitdaging bij het ontwikkelen van kleinere en snellere computerchips, hoogwaardige zonnepanelen, en betere lasers en biomedische apparaten.

Voor de eerste keer, een internationaal team van wetenschappers onder leiding van een onderzoeker aan de Universiteit van Californië, Riverside heeft het energiespectrum van akoestische fononen gewijzigd:elementaire excitaties, ook wel quasi-deeltjes genoemd, die warmte verspreiden door kristallijne materialen als een golf - door ze te beperken tot halfgeleiderstructuren op nanometerschaal. De resultaten hebben belangrijke implicaties voor het thermisch beheer van elektronische apparaten.

Onder leiding van Alexander Balandin, Distinguished Professor of Electrical and Computing Engineering en UC Presidential Chair Professor aan UCR's Bourns College of Engineering, het onderzoek wordt beschreven in een paper dat donderdag is gepubliceerd, 10 november in het journaal Natuurcommunicatie . Het artikel is getiteld "Directe observatie van opgesloten akoestische fononpolarisatietakken in vrijstaande nanodraden."

Het team gebruikte halfgeleider nanodraden van Gallium Arsenide (GaAs), gesynthetiseerd door onderzoekers in Finland, en een beeldvormingstechniek genaamd Brillouin-Mandelstam lichtverstrooiingsspectroscopie (BMS) om de beweging van fononen door de kristallijne nanostructuren te bestuderen. Door de grootte en de vorm van de GaAs-nanostructuren te veranderen, de onderzoekers waren in staat om het energiespectrum te veranderen, of verspreiding, van akoestische fononen. Het BMS-instrument dat voor deze studie werd gebruikt, is gebouwd in het Phonon Optimized Engineered Materials (POEM) Center van UCR, die wordt geregisseerd door Balandin.

Het beheersen van fonon-dispersie is cruciaal voor het verbeteren van de warmteafvoer van elektronische apparaten op nanoschaal, die de belangrijkste wegversperring is geworden waardoor ingenieurs hun omvang kunnen blijven verkleinen. Het kan ook worden gebruikt om de efficiëntie van de opwekking van thermo-elektrische energie te verbeteren, zei Balandin. In dat geval, het verminderen van de thermische geleidbaarheid door fononen is gunstig voor thermo-elektrische apparaten die energie genereren door een temperatuurgradiënt aan te brengen op halfgeleiders.

"Voor jaren, de enige beoogde methode om de thermische geleidbaarheid van nanostructuren te veranderen, was via akoestische fononverstrooiing met nanostructuurgrenzen en -interfaces. We hebben experimenteel aangetoond dat door akoestische fononen in nanodraden ruimtelijk op te sluiten, men hun snelheid kan veranderen, en de manier waarop ze interageren met elektronen, magnonen, en hoe ze warmte transporteren. Ons werk creëert nieuwe mogelijkheden voor het afstemmen van thermische en elektronische eigenschappen van halfgeleidermaterialen, ' zei Balandin.