La dynamique des phonons permet de mieux comprendre comment la chaleur se propage à travers les points quantiques

Alors que les technologies électroniques, thermoélectriques et informatiques ont été miniaturisées à l’échelle nanométrique, les ingénieurs ont été confrontés à un défi pour étudier les propriétés fondamentales des matériaux impliqués ; dans de nombreux cas, les cibles sont trop petites pour être observées avec des instruments optiques.

À l’aide de microscopes électroniques de pointe et de nouvelles techniques, une équipe de chercheurs de l’Université de Californie à Irvine, du Massachusetts Institute of Technology et d’autres institutions a trouvé un moyen de cartographier les phonons – les vibrations dans les réseaux cristallins – en résolution atomique, permettant une compréhension plus approfondie. de la façon dont la chaleur se déplace à travers les points quantiques, les nanostructures conçues dans les composants électroniques.

Pour étudier comment les phonons sont dispersés par les défauts et les interfaces dans les cristaux, les chercheurs ont sondé le comportement dynamique des phonons à proximité d’un seul point quantique de silicium-germanium en utilisant la spectroscopie vibrationnelle de perte d’énergie électronique dans un microscope électronique à transmission, un équipement hébergé à l’Institut de recherche sur les matériaux d’Irvine. sur le campus de l’UCI. Les résultats du projet font l’objet d’un article publié aujourd’hui dans La nature.

« Nous avons développé une nouvelle technique pour cartographier de manière différentielle les impulsions des phonons avec une résolution atomique, ce qui nous permet d’observer des phonons hors d’équilibre qui n’existent qu’à proximité de l’interface », a déclaré le co-auteur Xiaoqing Pan, professeur UCI de science et d’ingénierie des matériaux et de physique, Henry Samueli Endowed Chaire d’ingénierie et directeur de l’IMRI. « Ce travail marque une avancée majeure dans le domaine car c’est la première fois que nous avons pu fournir des preuves directes que l’interaction entre la réflexion diffusive et spéculaire dépend en grande partie de la structure atomistique détaillée. »

Selon Pan, à l’échelle atomique, la chaleur est transportée dans les matériaux solides sous la forme d’une vague d’atomes déplacés de leur position d’équilibre lorsque la chaleur s’éloigne de la source thermique. Dans les cristaux, qui possèdent une structure atomique ordonnée, ces ondes sont appelées phonons : des paquets d’ondes de déplacements atomiques qui transportent une énergie thermique égale à leur fréquence de vibration.

À l’aide d’un alliage de silicium et de germanium, l’équipe a pu étudier le comportement des phonons dans l’environnement désordonné du point quantique, à l’interface entre le point quantique et le silicium environnant, et autour de la surface en forme de dôme de la nanostructure du point quantique. lui-même.

« Nous avons constaté que l’alliage SiGe présentait une structure désordonnée sur le plan de la composition qui empêchait la propagation efficace des phonons », a déclaré Pan. « Parce que les atomes de silicium sont plus proches les uns des autres que les atomes de germanium dans leurs structures pures respectives, l’alliage étire un peu les atomes de silicium. En raison de cette contrainte, l’équipe de l’UCI a découvert que les phonons étaient ramollis dans le point quantique en raison de la contrainte et de l’effet d’alliage. conçu au sein de la nanostructure. »

Pan a ajouté que les phonons ramollis ont moins d’énergie, ce qui signifie que chaque phonon transporte moins de chaleur, réduisant ainsi la conductivité thermique. L’adoucissement des vibrations est à l’origine de l’un des nombreux mécanismes par lesquels les dispositifs thermoélectriques entravent le flux de chaleur.

L’un des principaux résultats du projet a été le développement d’une nouvelle technique pour cartographier la direction des porteurs thermiques dans le matériau. « Cela revient à compter le nombre de phonons qui montent ou descendent et à prendre la différence, indiquant leur direction dominante de propagation », a-t-il déclaré. « Cette technique nous a permis de cartographier la réflexion des phonons à partir des interfaces. »

Les ingénieurs électroniciens ont réussi à miniaturiser les structures et les composants en électronique à un tel degré qu’ils sont maintenant de l’ordre d’un milliardième de mètre, bien plus petits que la longueur d’onde de la lumière visible, de sorte que ces structures sont invisibles aux techniques optiques.

« Les progrès de la nano-ingénierie ont dépassé les progrès de la microscopie électronique et de la spectroscopie, mais avec cette recherche, nous commençons le processus de rattrapage », a déclaré le co-auteur Chaitanya Gadre, un étudiant diplômé du groupe de Pan à l’UCI.

Un domaine susceptible de bénéficier de cette recherche est la thermoélectricité, c’est-à-dire les systèmes de matériaux qui convertissent la chaleur en électricité. « Les développeurs de technologies thermoélectriques s’efforcent de concevoir des matériaux qui entravent le transport thermique ou favorisent le flux de charges, et la connaissance au niveau de l’atome de la façon dont la chaleur est transmise à travers les solides intégrés comme ils le sont souvent avec des défauts, des défauts et des imperfections, aidera dans cette quête. « , a déclaré le co-auteur Ruqian Wu, professeur de physique et d’astronomie à l’UCI.

« Plus de 70% de l’énergie produite par les activités humaines est la chaleur, il est donc impératif que nous trouvions un moyen de la recycler sous une forme utilisable, de préférence de l’électricité pour répondre aux besoins énergétiques croissants de l’humanité », a déclaré Pan.