Поскольку электронные, термоэлектрические и компьютерные технологии были миниатюризированы до нанометрового масштаба, инженеры столкнулись с проблемой изучения фундаментальных свойств используемых материалов; во многих случаях цели слишком малы, чтобы их можно было наблюдать с помощью оптических приборов.

Используя передовые электронные микроскопы и новые методы, группа исследователей из Калифорнийского университета в Ирвине, Массачусетского технологического института и других институтов нашла способ отображать фононы — колебания в кристаллических решетках — с атомным разрешением , что позволяет глубже понять того, как тепло распространяется через квантовые точки , инженерные наноструктуры в электронных компонентах .

Чтобы исследовать, как фононы рассеиваются дефектами и границами раздела в кристаллах, исследователи исследовали динамическое поведение фононов вблизи одиночной квантовой точки кремния-германия, используя спектроскопию потерь энергии колебательных электронов в просвечивающем электронном микроскопе , оборудованном в Ирвинском научно-исследовательском институте материалов. в кампусе UCI. Результаты проекта стали предметом статьи, опубликованной сегодня в журнале Nature.

«Мы разработали новый метод дифференциального картирования импульсов фононов с атомарным разрешением, который позволяет нам наблюдать неравновесные фононы, которые существуют только вблизи границы раздела», — сказал соавтор Сяоцин Пан, профессор материаловедения, инженерии и физики UCI Генри Самуэли Эндоуед. Кафедра инженерии и директор IMRI. «Эта работа знаменует собой значительный прогресс в этой области, потому что мы впервые смогли предоставить прямые доказательства того, что взаимодействие между диффузным и зеркальным отражением в значительной степени зависит от детальной атомистической структуры».

По словам Пана, в атомном масштабе тепло переносится в твердых материалах в виде волны атомов, смещенных из своего положения равновесия по мере того, как тепло удаляется от источника тепла. В кристаллах, обладающих упорядоченной атомной структурой , эти волны называются фононами: волновые пакеты атомных смещений, несущие тепловую энергию , равную частоте их колебаний.

Используя сплав кремния и германия, команда смогла изучить, как фононы ведут себя в неупорядоченной среде квантовой точки, на границе между квантовой точкой и окружающим кремнием, а также вокруг куполообразной поверхности наноструктуры квантовой точки.

«Мы обнаружили, что сплав SiGe представляет собой композиционно неупорядоченную структуру, которая препятствует эффективному распространению фононов», — сказал Пан. «Поскольку атомы кремния расположены ближе друг к другу, чем атомы германия в их соответствующих чистых структурах, сплав немного растягивает атомы кремния. Из-за этого напряжения команда UCI обнаружила, что фононы смягчаются в квантовой точке из-за деформации и эффекта сплавления. спроектированы внутри наноструктуры».

Пан добавил, что у смягченных фононов меньше энергии, а это означает, что каждый фонон переносит меньше тепла, в результате чего снижается теплопроводность. Смягчение вибраций лежит в основе одного из многих механизмов того, как термоэлектрические устройства препятствуют потоку тепла.

Одним из ключевых результатов проекта стала разработка новой методики картирования направления теплоносителей в материале. «Это аналогично подсчету того, сколько фононов идет вверх или вниз, и получению разницы, указывающей на их доминирующее направление распространения», — сказал он. «Эта техника позволила нам составить карту отражения фононов от интерфейсов».

Инженеры-электронщики преуспели в миниатюризации структур и компонентов электроники до такой степени, что теперь их размер составляет порядка одной миллиардной доли метра, что намного меньше длины волны видимого света, поэтому эти структуры невидимы для оптических методов.

«Прогресс в наноинженерии опередил достижения в электронной микроскопии и спектроскопии, но с этим исследованием мы начинаем процесс наверстывания», — сказал соавтор Чайтанья Гадре, аспирант группы Пана в UCI.

Вероятная область, в которой можно извлечь пользу из этого исследования, — это термоэлектричество — системы материалов, которые преобразуют тепло в электричество. «Разработчики термоэлектрических технологий стремятся разработать материалы, которые либо препятствуют переносу тепла, либо способствуют потоку зарядов, и знания на уровне атомов о том, как тепло передается через твердые тела, встроенные в них, поскольку они часто имеют дефекты, дефекты и несовершенства, помогут в этом стремлении. », — сказал соавтор Ruqian Wu, профессор физики и астрономии UCI.

«Более 70 процентов энергии, производимой человеком, — это тепло, поэтому крайне важно, чтобы мы нашли способ переработать его обратно в пригодную для использования форму, предпочтительно в электричество, для удовлетворения растущих потребностей человечества в энергии», — сказал Пан.