Die Phononendynamik ermöglicht ein tieferes Verständnis dafür, wie Wärme durch Quantenpunkte wandert

Da elektronische, thermoelektrische und Computertechnologien auf den Nanometermaßstab miniaturisiert wurden, standen Ingenieure vor der Herausforderung, grundlegende Eigenschaften der beteiligten Materialien zu untersuchen; In vielen Fällen sind Ziele zu klein, um mit optischen Instrumenten beobachtet zu werden.

Mithilfe modernster Elektronenmikroskope und neuartiger Techniken hat ein Forscherteam der University of California, Irvine, des Massachusetts Institute of Technology und anderer Institutionen einen Weg gefunden, Phononen – Schwingungen in Kristallgittern – in atomarer Auflösung abzubilden und so ein tieferes Verständnis zu ermöglichen über die Art und Weise, wie Wärme durch Quantenpunkte wandert, konstruierte Nanostrukturen in elektronischen Komponenten.

Um zu untersuchen, wie Phononen durch Risse und Grenzflächen in Kristallen gestreut werden, untersuchten die Forscher das dynamische Verhalten von Phononen in der Nähe eines einzelnen Quantenpunkts aus Silizium-Germanium mithilfe von Schwingungselektronenenergieverlustspektroskopie in einem Transmissionselektronenmikroskop, einer Ausrüstung, die im Irvine Materials Research Institute untergebracht ist auf dem UCI-Campus. Die Ergebnisse des Projekts sind Gegenstand eines heute in veröffentlichten Papiers Natur.

„Wir haben eine neuartige Technik entwickelt, um Phononenimpulse mit atomarer Auflösung differenziell abzubilden, was es uns ermöglicht, Nichtgleichgewichtsphononen zu beobachten, die nur nahe der Grenzfläche existieren“, sagte Co-Autor Xiaoqing Pan, UCI-Professor für Materialwissenschaften und -technik und Physik, Henry Samueli Endowed Lehrstuhl für Ingenieurwesen und IMRI-Direktor. „Diese Arbeit stellt einen großen Fortschritt auf diesem Gebiet dar, da wir zum ersten Mal direkt nachweisen konnten, dass das Zusammenspiel zwischen diffuser und spiegelnder Reflexion weitgehend von der detaillierten atomistischen Struktur abhängt.“

Laut Pan wird Wärme auf atomarer Ebene in festen Materialien als Welle von Atomen transportiert, die aus ihrer Gleichgewichtsposition verschoben werden, wenn sich Wärme von der Wärmequelle entfernt. In Kristallen, die eine geordnete atomare Struktur besitzen, werden diese Wellen Phononen genannt: Wellenpakete atomarer Verschiebungen, die Wärmeenergie gleich ihrer Schwingungsfrequenz transportieren.

Unter Verwendung einer Legierung aus Silizium und Germanium konnte das Team untersuchen, wie sich Phononen in der ungeordneten Umgebung des Quantenpunkts, an der Grenzfläche zwischen dem Quantenpunkt und dem umgebenden Silizium und um die kuppelförmige Oberfläche der Quantenpunkt-Nanostruktur herum verhalten selbst.

„Wir fanden heraus, dass die SiGe-Legierung eine kompositorisch ungeordnete Struktur aufwies, die die effiziente Ausbreitung von Phononen behinderte“, sagte Pan. „Da Siliziumatome in ihren jeweiligen reinen Strukturen näher beieinander liegen als Germaniumatome, dehnt die Legierung die Siliziumatome ein wenig. Aufgrund dieser Dehnung entdeckte das UCI-Team, dass Phononen im Quantenpunkt aufgrund der Dehnung und des Legierungseffekts weicher wurden konstruiert innerhalb der Nanostruktur.“

Pan fügte hinzu, dass erweichte Phononen weniger Energie haben, was bedeutet, dass jedes Phonon weniger Wärme trägt, wodurch die Wärmeleitfähigkeit verringert wird. Die Dämpfung von Vibrationen steckt hinter einem der vielen Mechanismen, mit denen thermoelektrische Geräte den Wärmefluss behindern.

Eines der wichtigsten Ergebnisse des Projekts war die Entwicklung einer neuen Technik zur Kartierung der Richtung der Wärmeträger im Material. „Dies ist analog zum Zählen, wie viele Phononen nach oben oder unten gehen, und der Differenz, die ihre dominante Ausbreitungsrichtung anzeigt“, sagte er. „Mit dieser Technik konnten wir die Reflexion von Phononen an Grenzflächen abbilden.“

Elektronikingenieuren ist es gelungen, Strukturen und Komponenten in der Elektronik so weit zu miniaturisieren, dass sie jetzt in der Größenordnung von einem Milliardstel Meter liegen, viel kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts, sodass diese Strukturen für optische Techniken unsichtbar sind.

„Die Fortschritte in der Nanotechnik haben die Fortschritte in der Elektronenmikroskopie und -spektroskopie überholt, aber mit dieser Forschung beginnen wir den Aufholprozess“, sagte Co-Autorin Chaitanya Gadre, eine Doktorandin in Pans Gruppe an der UCI.

Ein Bereich, der wahrscheinlich von dieser Forschung profitiert, ist die Thermoelektrik – Materialsysteme, die Wärme in Strom umwandeln. „Entwickler thermoelektrischer Technologien bemühen sich, Materialien zu entwerfen, die entweder den Wärmetransport behindern oder den Ladungsfluss fördern, und das Wissen auf Atomebene darüber, wie Wärme durch eingebettete Feststoffe übertragen wird, wie sie oft mit Fehlern, Defekten und Unvollkommenheiten versehen sind, wird bei dieser Suche hilfreich sein “, sagte Co-Autor Ruqian Wu, UCI-Professor für Physik und Astronomie.

„Mehr als 70 Prozent der durch menschliche Aktivitäten erzeugten Energie ist Wärme, daher ist es unerlässlich, dass wir einen Weg finden, diese wieder in eine nutzbare Form zu recyceln, vorzugsweise in Elektrizität, um den steigenden Energiebedarf der Menschheit zu decken“, sagte Pan.