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    Gli scienziati misurano i modi vibrazionali locali nei singoli difetti cristallini

    Un team guidato da ricercatori di scienza dei materiali UCI è stato il primo a misurare i fononi, vibrazioni quantomeccaniche in un reticolo, a difetti individuali in un cristallo. La svolta apre le porte alla progettazione di materiali migliori da utilizzare in dispositivi ad alta tecnologia. Credito:Xiaoqing Pan / UCI

    Spesso ammirati per il loro aspetto impeccabile a occhio nudo, i cristalli possono avere difetti su scala nanometrica, e queste imperfezioni possono influenzare le proprietà termiche e di trasporto del calore dei materiali cristallini utilizzati in una varietà di dispositivi ad alta tecnologia.

    Utilizzando tecniche di microscopia elettronica di nuova concezione, ricercatori dell'Università della California, Irvine e altre istituzioni hanno, per la prima volta, misurato gli spettri dei fononi - vibrazioni meccaniche quantistiche in un reticolo - a singole faglie cristalline, e scoprirono la propagazione dei fononi presso i difetti. I risultati del team sono oggetto di uno studio pubblicato di recente in Natura .

    "Difetti puntuali, dislocazioni, faglie di accatastamento e bordi di grano si trovano spesso nei materiali cristallini, e questi difetti possono avere un impatto significativo sulla conduttività termica di una sostanza e sulle prestazioni termoelettriche, ", ha affermato il coautore senior Xiaoqing Pan, La cattedra di ingegneria Henry Samueli dell'UCI, così come un professore di scienza dei materiali e ingegneria e fisica e astronomia.

    Ha detto che ci sono ampie teorie per spiegare le interazioni tra le imperfezioni dei cristalli e i fononi, ma poche convalide sperimentali a causa dell'incapacità dei metodi precedenti di visualizzare i fenomeni con una risoluzione di spazio e quantità di moto sufficientemente elevata. Pan e i suoi collaboratori hanno affrontato il problema attraverso il nuovo sviluppo della spettroscopia vibrazionale risolta dallo spazio e dal momento in un microscopio elettronico a trasmissione presso l'Istituto di ricerca sui materiali di Irvine dell'UCI.

    Con questa tecnica, sono stati in grado di osservare singoli difetti nel carburo di silicio cubico, un materiale con una vasta gamma di applicazioni nei dispositivi elettronici. Pan e i suoi colleghi avevano familiarità con il modo in cui le imperfezioni nel carburo di silicio si manifestano come difetti di impilamento, e il lavoro teorico ha descritto gli impatti termoelettrici, ma ora il team ha prodotto dati sperimentali diretti per caratterizzare le interazioni dei fononi con i singoli difetti.

    "Il nostro metodo apre la possibilità di studiare i modi vibrazionali locali a difetti intrinseci e non intrinseci nei materiali, " disse Pan, che è anche direttore dell'IMRI e del Centro per i materiali complessi e attivi dell'UCI, finanziato dalla National Science Foundation. "Ci aspettiamo che trovi applicazioni importanti in molti settori diversi, che vanno dallo studio dei fononi interfacciali che inducono resistenza termica alle strutture dei difetti progettate per ottimizzare le proprietà termiche di un materiale".


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