Используя передовые электронные микроскопы и новые методы, команда исследователей из Калифорнийского университета в Ирвине, Массачусетского технологического института и других учреждений нашла способ отображать фононы - колебания в кристаллических решетках - с атомным разрешением, что позволяет глубже понять, как тепло проходит через квантовые точки, спроектированные наноструктуры в электронных компонентах.

Чтобы исследовать, как фононы рассеиваются дефектами и границами раздела в кристаллах, исследователи исследовали динамическое поведение фононов вблизи единственной квантовой точки кремний-германий, используя спектроскопию потерь энергии колебательных электронов в просвечивающем электронном микроскопе, оборудование, размещенное в Институте исследований материалов Ирвина в кампусе UCI. Результаты проекта являются предметом статьи, опубликованной сегодня в Природа.

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

Согласно Пэну, в атомном масштабе тепло переносится в твердых материалах в виде волны атомов, смещенных из их положения равновесия по мере удаления тепла от источника тепла. В кристаллах, которые обладают упорядоченной атомной структурой, эти волны называются фононами: волновыми пакетами атомных смещений, которые несут тепловую энергию, равную их частоте вибрации.

Используя сплав кремния и германия, команда смогла изучить, как ведут себя фононы в неупорядоченной среде квантовой точки, на границе раздела между квантовой точкой и окружающим кремнием и вокруг куполообразной поверхности самой 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 этой деформации команда UCI обнаружила, что фононы размягчаются в квантовой точке из-за деформации и эффекта легирования, созданного внутри наноструктуры ".

Пан добавил, что размягченные фононы обладают меньшей энергией, что 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 нового метода отображения направления теплоносителей в материале. "Это аналогично подсчету того, сколько фононов поднимается или опускается, и измерению разницы, указывающей на их доминирующее направление распространения", - сказал он. "Этот метод позволил нам отобразить отражение фононов от интерфейсов".

Инженеры-электронщики преуспели в миниатюризации структур и компонентов в электронике до такой степени, что теперь они составляют порядка 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 упущенного", - сказал соавтор Чайтанья Гадре, аспирант группы Пэна в Калифорнийском университете.

Вероятной областью, в которой это исследование принесет пользу, является термоэлектрика - материальные системы, преобразующие тепло в электричество. "Разработчики термоэлектрических технологий стремятся создавать материалы, которые либо препятствуют теплопередаче, либо способствуют потоку зарядов, и знания на атомном уровне о том, как тепло передается через твердые тела, внедренные в них, поскольку они часто имеют дефекты и несовершенства, помогут в этом поиске", - сказал соавтор Рукиан Ву, UCI. профессор физики и астрономии.

"Более 70 процентов энергии, производимой в результате человеческой деятельности, - это тепло, поэтому крайне важно, чтобы мы нашли способ перерабатывать ее обратно в пригодную для использования форму, предпочтительно электричество, для удовлетворения растущих потребностей человечества в энергии", - сказал Пан.

В этом исследовательском проекте, который финансировался Управлением фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США и Национальным научным фондом, также участвовали Ган Чен, профессор машиностроения Массачусетского технологического института; Шэн-Вэй Ли, профессор материаловедения и инженерии в Национальном центральном университете Тайваня; и Синсю Янь, профессор Аспирант Калифорнийского университета в области материаловедения и инженерии.