Omdat elektronische, thermo-elektrische en computertechnologieën zijn verkleind tot nanometerschaal, stonden ingenieurs voor een uitdaging bij het bestuderen van fundamentele eigenschappen van de betrokken materialen; in veel gevallen zijn doelen te klein om met optische instrumenten te kunnen worden waargenomen.

Met behulp van geavanceerde elektronenmicroscopen en nieuwe technieken heeft een team van onderzoekers van de Universiteit van Californië, Irvine, het Massachusetts Institute of Technology en andere instellingen een manier gevonden om fononen - trillingen in kristalroosters - in atomaire resolutie in kaart te brengen, wat een dieper begrip mogelijk maakt van de manier waarop warmte door kwantumstippen reist, geconstrueerde nanostructuren in elektronische componenten.

Om te onderzoeken hoe fononen worden verstrooid door gebreken en interfaces in kristallen, onderzochten de onderzoekers het dynamische gedrag van fononen in de buurt van een enkele kwantumstip van silicium-germanium met behulp van vibrerende elektronenenergieverliesspectroscopie in een transmissie-elektronenmicroscoop, apparatuur ondergebracht in het Irvine Materials Research Institute op de UCI-campus. De resultaten van het project zijn het onderwerp van een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Nature .

"We hebben een nieuwe techniek ontwikkeld om fonon-momenta differentieel in kaart te brengen met atomaire resolutie, waardoor we niet-evenwichtige fononen kunnen observeren die alleen in de buurt van de interface bestaan", zegt co-auteur Xiaoqing Pan, UCI-professor materiaalwetenschappen en techniek en natuurkunde, Henry Samueli Endowed Leerstoel Engineering en IMRI-directeur. "Dit werk markeert een grote vooruitgang in het veld, omdat het de eerste keer is dat we direct bewijs hebben kunnen leveren dat de wisselwerking tussen diffuse en spiegelende reflectie grotendeels afhangt van de gedetailleerde atomaire structuur."

Volgens Pan wordt warmte op atomaire schaal in vaste materialen getransporteerd als een golf van atomen die uit hun evenwichtspositie wordt verplaatst wanneer warmte zich van de thermische bron verwijdert. In kristallen, die een geordende atomaire structuur hebben, worden deze golven fononen genoemd:golfpakketten van atomaire verplaatsingen die thermische energie dragen die gelijk is aan hun trillingsfrequentie.

Met behulp van een legering van silicium en germanium kon het team bestuderen hoe fononen zich gedragen in de ongeordende omgeving van de quantum dot, in het grensvlak tussen de quantum dot en het omringende silicium, en rond het koepelvormige oppervlak van de quantum dot nanostructuur zelf.

"We ontdekten dat de SiGe-legering een qua samenstelling ongeordende structuur vertoonde die de efficiënte verspreiding van fononen belemmerde," zei Pan. "Omdat siliciumatomen dichter bij elkaar staan ​​dan germaniumatomen in hun respectievelijke zuivere structuren, rekt de legering de siliciumatomen een beetje uit. Door deze spanning ontdekte het UCI-team dat fononen in de kwantumdot werden verzacht vanwege de spanning en het legeringseffect ontwikkeld binnen de nanostructuur."

Pan voegde eraan toe dat verzachte fononen minder energie hebben, wat betekent dat elke fonon minder warmte transporteert, waardoor de thermische geleidbaarheid wordt verminderd. De verzachting van trillingen zit achter een van de vele mechanismen van hoe thermo-elektrische apparaten de warmtestroom belemmeren.

Een van de belangrijkste resultaten van het project was de ontwikkeling van een nieuwe techniek om de richting van de thermische dragers in het materiaal in kaart te brengen. "Dit is analoog aan het tellen hoeveel fononen omhoog of omlaag gaan en het verschil nemen, wat hun dominante voortplantingsrichting aangeeft," zei hij. "Met deze techniek konden we de reflectie van fononen van interfaces in kaart brengen."

Elektronica-ingenieurs zijn erin geslaagd structuren en componenten in de elektronica zo te miniaturiseren dat ze nu in de orde van een miljardste meter zijn, veel kleiner dan de golflengte van zichtbaar licht, dus deze structuren zijn onzichtbaar voor optische technieken.

"De vooruitgang in nano-engineering heeft de vooruitgang in elektronenmicroscopie en spectroscopie overtroffen, maar met dit onderzoek beginnen we een inhaalslag te maken", zegt co-auteur Chaitanya Gadre, een afgestudeerde student in Pan's groep bij UCI.

Een waarschijnlijk gebied dat baat heeft bij dit onderzoek is thermo-elektriciteit - materiële systemen die warmte omzetten in elektriciteit. "Ontwikkelaars van thermo-elektrische technologieën streven ernaar materialen te ontwerpen die thermisch transport belemmeren of de stroom van ladingen bevorderen, en kennis op atoomniveau van hoe warmte wordt overgedragen door vaste stoffen die zijn ingebed, zoals vaak met fouten, defecten en onvolkomenheden, zal helpen bij deze zoektocht ", zei co-auteur Ruqian Wu, UCI-hoogleraar natuurkunde en astronomie.

"Meer dan 70 procent van de energie die door menselijke activiteiten wordt geproduceerd, is warmte, dus het is absoluut noodzakelijk dat we een manier vinden om dit terug te recyclen in een bruikbare vorm, bij voorkeur elektriciteit om de toenemende vraag naar energie van de mensheid te voeden," zei Pan. + Verder verkennen

Wetenschappers meten lokale trillingsmodi bij individuele kristallijne fouten