Nieuw onderzoek biedt inzicht in hoe kristaldislocaties - een veelvoorkomend type defect in materialen - het elektrische en warmtetransport door kristallen kunnen beïnvloeden, op een microscopische, kwantummechanisch niveau.

Dislocaties in kristallen zijn plaatsen waar de ordelijke driedimensionale structuur van een kristalrooster - waarvan de rangschikking van atomen zich herhaalt met precies dezelfde afstand - wordt verstoord. Het effect is alsof een mes door het kristal heeft gesneden en de stukjes weer aan elkaar zijn geplakt, scheef uit hun oorspronkelijke posities. Deze defecten hebben een sterk effect op fononen, de modi van roostertrillingen die een rol spelen in de thermische en elektrische eigenschappen van de kristallen waardoor ze reizen. Maar een nauwkeurig begrip van het mechanisme van de dislocatie-fononinteractie was ongrijpbaar en controversieel, wat de voortgang naar het gebruik van dislocaties om de thermische eigenschappen van materialen aan te passen heeft vertraagd.

Een team van MIT heeft belangrijke details kunnen leren over hoe die interacties werken, die zouden kunnen bijdragen aan toekomstige inspanningen om thermo-elektrische apparaten en andere elektronische systemen te ontwikkelen. De bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift Nano-letters , in een paper met co-auteur van postdoc Mingda Li, Afdelingshoofd Werktuigbouwkunde Professor Gang Chen, wijlen instituutsprofessor emerita Mildred Dresselhaus, en vijf anderen.

Dislocaties - die Li beschrijft als "atomaire onregelmatigheden in een gewoon kristal" - zijn veel voorkomende defecten in kristallen, en ze beïnvloeden, bijvoorbeeld, hoe warmte wordt afgevoerd door een silicium microchip of hoe goed de stroom door een silicium zonnepaneel stroomt.

Er zijn twee concurrerende benaderingen geweest om fonon-dislocatie-interacties te verklaren, Li legt uit, en een paar andere vragen over hen zijn onopgelost gebleven. Nutsvoorzieningen, het MIT-team heeft een nieuwe wiskundige benadering gevonden voor het analyseren van dergelijke systemen, met behulp van een nieuw quasi-deeltje dat ze een "dislon, " wat een gekwantiseerde versie is van een dislocatie, die deze al lang bestaande mysteries lijkt op te lossen.

"Mensen hebben geprobeerd te leren hoe de dislocaties de materiaaleigenschappen veranderen - de elektrische en thermische eigenschappen, " zegt Li. "Vroeger, er waren veel empirische modellen, die aanpassingsparameters nodig hebben om compleet te zijn. Er was een lang debat over de aard van fononverstrooiing in dislocaties."

De nieuwe theorie, Li zegt, heeft een ander uitgangspunt, omdat het gebaseerd is op de rigoureuze kwantumveldentheorie. Het lijkt een aantal problemen op te lossen, inclusief een debat tussen twee opvattingen die bekend staan ​​​​als de dynamische en statische verstrooiingsbenaderingen, laten zien dat ze gewoon zijn
twee extreme gevallen binnen dit nieuwe kader. En hoewel beide benaderingen er niet in slagen om gedrag op nanoschaal te verklaren, de nieuwe aanpak werkt goed op dergelijke schaal.

De bevindingen kunnen van invloed zijn op de zoektocht naar betere thermo-elektrische materialen, die warmte kan omzetten in elektriciteit. Deze worden gebruikt voor het opwekken van stroom uit restwarmte, of het verstrekken van verwarmingen voor autostoelen. Thermo-elektrische systemen kunnen ook zorgen voor koeling, voor kisten met koude dranken, bijvoorbeeld.

Chen, wie is de Carl Richard Soderberg hoogleraar energietechniek, schrijft de nieuwe bevindingen toe aan het initiatief van Li. "Ik had er niet zoveel hoop op, " zei Chen. "Het is een behoorlijk complex probleem:hoe dislocaties deze zeer belangrijke eigenschappen beïnvloeden. ... Ik was zeer verrast toen hij terugkwam met deze nieuwe theorie. Hij ging uit van basisprincipes en leidde er een kwantumbeschrijving voor af."

Li en zijn team hebben "een doorbraak gemaakt door de aard van het dislocatiestamveld op lange termijn te verklaren, door het te behandelen als een nieuw kwantummechanisch object genaamd de dislon, " zegt Jeffery Snyder, een professor aan de Northwestern University, die niet bij dit werk betrokken was. "Door dit te combineren met de kwantummechanische behandeling van de dislon-elektron-interactie zou kunnen leiden tot nieuwe strategieën om materialen te optimaliseren door metallurgische benaderingen te gebruiken om de structuur te ontwerpen, type, en locatie van dislocaties in een materiaal."

"Dislocaties hebben ingrijpende gevolgen voor de eigenschappen van materialen, maar tot nu toe heeft de aard van het spanningsveld op lange afstand directe berekeningen van dislocatie-effecten verhinderd, " zegt David J. Singh, een professor aan de Universiteit van Missouri die ook niet bij dit werk betrokken was. "De kwantisering die in dit artikel is ontwikkeld, helpt bij het oplossen van deze problemen. Ik verwacht dat dit nieuwe formalisme zal leiden tot een sterk verbeterd begrip van de effecten van dislocaties op de elektrische en thermische eigenschappen van materialen. Dit werk is een grote stap voorwaarts. "

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.