(Phys.org) — Sono stati osservati fononi a vettore d'onda di grandi dimensioni modificati nelle membrane dei semiconduttori tramite scattering termico diffuso (TDS) di raggi X duri che forniscono nuove informazioni sulle proprietà termiche ed elettroniche fondamentali dei nanomateriali. L'osservazione di TDS a raggi X da membrane di silicio sospese con spessori inferiori a 10 nm amplia notevolmente la gamma di materiali per i quali possono essere studiati questi modi vibrazionali. Comprendere il confinamento fononico nelle nanostrutture consentirà il controllo della temperatura, ottico, e proprietà di trasporto elettrico.

Utilizzando l'elevata brillantezza dell'Advanced Photon Source presso il Center for Nanoscale Materials (CNM) Hard X-Ray Nanoprobe beamline, il team ha analizzato quantitativamente il segnale TDS dai fononi del confine di zona e ha fornito informazioni sulla dinamica reticolare delle nanostrutture. Il team comprendeva ricercatori dei gruppi di microscopia a raggi X e Nanofabbricazione e dispositivi della CNM presso l'Argonne National Laboratory, l'Università del Wisconsin-Madison, e lo European Synchrotron Radiation Facility.

L'osservazione dell'attività fononica di grandi vettori d'onda in membrane di semiconduttori su nanoscala attraverso TDS a raggi X di sincrotrone dimostra il potenziale per intuizioni sperimentali fondamentalmente nuove sul comportamento dinamico dei solidi su nanoscala. Le grandi vibrazioni del reticolo del vettore d'onda hanno una lunghezza d'onda relativamente più piccola e quindi svolgono un ruolo sempre più importante nel trasferimento di energia e nella mobilità degli elettroni su scala nanometrica. Una caratteristica importante di queste modalità è che sono significativamente meno sensibili alla dispersione da interfacce e difetti rispetto alle loro controparti con vettori d'onda piccoli. Lo studio di queste vibrazioni in materiali su scala nanometrica è stato fondamentalmente limitato sia dal limite basso del vettore d'onda delle tecniche di scattering ottico sia dai requisiti di grande volume di campione delle tecniche di scattering anelastico di raggi X e neutroni.

Il TDS a raggi X di sincrotrone consente la raccolta simultanea di informazioni vibrazionali su un'ampia gamma di spazi reciproci che possono essere correlati con precisione ai vettori d'onda dei fononi. La distribuzione dell'intensità TDS può essere analizzata per determinare la dispersione fononica, che è la relazione tra la frequenza e il vettore d'onda delle vibrazioni. In questo esperimento, Le tecniche TDS sono state adattate per l'uso in sistemi su scala nanometrica. L'analisi delle deviazioni dalle intensità TDS di massa osservate qui a grandi vettori d'onda mostra che la dispersione di fononi a vettore d'onda grande in membrane di silicio con spessori nell'ordine delle decine di nanometri e più piccoli è fortemente influenzata dallo sviluppo di nuovi modi vibrazionali che nascono perché la membrana non è vincolata meccanicamente alle sue superfici. Questo approccio consentirà allo studio sperimentale e alla successiva ingegnerizzazione dei fononi in nanostrutture di andare oltre le approssimazioni valide solo nel regime del vettore d'onda basso. I risultati contribuiscono a una cassetta degli attrezzi ampliata per la progettazione di nuovi dispositivi termici ed elettronici.