声子动力学有助于更深入地了解热量如何通过量子点传播

随着电子、热电和计算机技术已经小型化到纳米级，工程师们面临着研究相关材料基本特性的挑战。在许多情况下，目标太小而无法用光学仪器观察。

利用尖端电子显微镜和新技术，加州大学欧文分校、麻省理工学院和其他机构的一组研究人员找到了一种以原子分辨率绘制声子(晶格中的振动)的方法，从而实现更深入的理解热通过量子点的方式，电子元件中的工程纳米结构。

为了研究声子如何被晶体中的缺陷和界面散射，研究人员使用透射电子显微镜中的振动电子能量损失光谱法探测了硅锗单量子点附近声子的动态行为，该设备位于欧文材料研究所。在UCI校园内。该项目的成果是今天发表在《自然》杂志上的一篇论文的主题。

“我们开发了一种新技术，以原子分辨率差分映射声子动量，这使我们能够观察仅存在于界面附近的非平衡声子，”共同作者，UCI材料科学与工程和物理学教授，HenrySamueliEndowed潘晓庆说。工程系主任，IMRI主任。“这项工作标志着该领域的一项重大进展，因为这是我们第一次能够提供直接证据，证明漫反射和镜面反射之间的相互作用在很大程度上取决于详细的原子结构。”

根据潘的说法，在原子尺度上，热量在固体材料中传输，因为当热量远离热源时，原子波会从其平衡位置移位。在具有有序原子结构的晶体中，这些波被称为声子：原子位移的波包，其携带的热能等于它们的振动频率。

使用硅和锗的合金，该团队能够研究声子在量子点的无序环境、量子点与周围硅之间的界面以及量子点纳米结构的圆顶形表面周围的行为方式本身。

“我们发现SiGe合金呈现出一种成分无序的结构，阻碍了声子的有效传播，”潘说。“由于硅原子在各自的纯结构中比锗原子更靠近，因此合金稍微拉伸了硅原子。由于这种应变，UCI团队发现由于应变和合金化效应，量子点中的声子正在软化在纳米结构内设计。”

潘补充说，软化的声子能量更少，这意味着每个声子携带的热量更少，从而降低了热导率。振动的软化是热电设备阻碍热量流动的众多机制之一。

该项目的主要成果之一是开发了一种新技术，用于绘制材料中热载体的方向。“这类似于计算有多少声子上升或下降，然后计算差异，表明它们的主要传播方向，”他说。“这项技术使我们能够从界面映射声子的反射。”

电子工程师已经成功地将电子设备中的结构和组件小型化到这样的程度，以至于它们现在已经下降到十亿分之一米的数量级，远小于可见光的波长，因此这些结构对光学技术来说是不可见的。

“纳米工程的进步已经超过了电子显微镜和光谱学的进步，但通过这项研究，我们正在开始追赶的过程，”共同作者、UCI潘氏小组的研究生ChaitanyaGadre说。

从这项研究中受益的一个可能领域是热电——将热能转化为电能的材料系统。“热电技术的开发人员努力设计阻碍热传输或促进电荷流动的材料，以及原子级知识如何通过嵌入的固体传输热量，因为它们通常带有缺陷、缺陷和缺陷，将有助于这一探索”共同作者、UCI物理学和天文学教授吴如谦说。

“人类活动产生的能量中有70%以上是热量，因此我们必须找到一种方法将其回收成可用的形式，最好是电力来满足人类日益增长的能源需求，”潘说。