聲子動力學有助于更深入地了解熱量如何通過量子點傳播

隨著電子、熱電和計算機技術已經小型化到納米級，工程師們面臨著研究相關材料基本特性的挑戰。在許多情況下，目標太小而無法用光學儀器觀察。

利用尖端電子顯微鏡和新技術，加州大學歐文分校、麻省理工學院和其他機構的一組研究人員找到了一種以原子分辨率繪制聲子(晶格中的振動)的方法，從而實現更深入的理解熱通過量子點的方式，電子元件中的工程納米結構。

為了研究聲子如何被晶體中的缺陷和界面散射，研究人員使用透射電子顯微鏡中的振動電子能量損失光譜法探測了硅鍺單量子點附近聲子的動態行為，該設備位于歐文材料研究所。在UCI校園內。該項目的成果是今天發表在《自然》雜志上的一篇論文的主題。

“我們開發了一種新技術，以原子分辨率差分映射聲子動量，這使我們能夠觀察僅存在于界面附近的非平衡聲子，”共同作者，UCI材料科學與工程和物理學教授，HenrySamueliEndowed潘曉慶說。工程系主任，IMRI主任。“這項工作標志著該領域的一項重大進展，因為這是我們第一次能夠提供直接證據，證明漫反射和鏡面反射之間的相互作用在很大程度上取決于詳細的原子結構。”

根據潘的說法，在原子尺度上，熱量在固體材料中傳輸，因為當熱量遠離熱源時，原子波會從其平衡位置移位。在具有有序原子結構的晶體中，這些波被稱為聲子：原子位移的波包，其攜帶的熱能等于它們的振動頻率。

使用硅和鍺的合金，該團隊能夠研究聲子在量子點的無序環境、量子點與周圍硅之間的界面以及量子點納米結構的圓頂形表面周圍的行為方式本身。

“我們發現SiGe合金呈現出一種成分無序的結構，阻礙了聲子的有效傳播，”潘說。“由于硅原子在各自的純結構中比鍺原子更靠近，因此合金稍微拉伸了硅原子。由于這種應變，UCI團隊發現由于應變和合金化效應，量子點中的聲子正在軟化在納米結構內設計。”

潘補充說，軟化的聲子能量更少，這意味著每個聲子攜帶的熱量更少，從而降低了熱導率。振動的軟化是熱電設備阻礙熱量流動的眾多機制之一。

該項目的主要成果之一是開發了一種新技術，用于繪制材料中熱載體的方向。“這類似于計算有多少聲子上升或下降，然后計算差異，表明它們的主要傳播方向，”他說。“這項技術使我們能夠從界面映射聲子的反射。”

電子工程師已經成功地將電子設備中的結構和組件小型化到這樣的程度，以至于它們現在已經下降到十億分之一米的數量級，遠小于可見光的波長，因此這些結構對光學技術來說是不可見的。

“納米工程的進步已經超過了電子顯微鏡和光譜學的進步，但通過這項研究，我們正在開始追趕的過程，”共同作者、UCI潘氏小組的研究生ChaitanyaGadre說。

從這項研究中受益的一個可能領域是熱電——將熱能轉化為電能的材料系統。“熱電技術的開發人員努力設計阻礙熱傳輸或促進電荷流動的材料，以及原子級知識如何通過嵌入的固體傳輸熱量，因為它們通常帶有缺陷、缺陷和缺陷，將有助于這一探索”共同作者、UCI物理學和天文學教授吳如謙說。

“人類活動產生的能量中有70%以上是熱量，因此我們必須找到一種方法將其回收成可用的形式，最好是電力來滿足人類日益增長的能源需求，”潘說。