Poiché le tecnologie elettroniche, termoelettriche e informatiche sono state miniaturizzate su scala nanometrica, gli ingegneri hanno affrontato una sfida studiando le proprietà fondamentali dei materiali coinvolti; in molti casi, i target sono troppo piccoli per essere osservati con strumenti ottici.

Utilizzando microscopi elettronici all'avanguardia e nuove tecniche, un team di ricercatori dell'Università della California, Irvine, del Massachusetts Institute of Technology e di altre istituzioni ha trovato un modo per mappare i fononi, le vibrazioni nei reticoli cristallini, con una risoluzione atomica, consentendo una comprensione più profonda del modo in cui il calore viaggia attraverso punti quantici, nanostrutture ingegnerizzate nei componenti elettronici.

Per studiare il modo in cui i fononi sono dispersi da difetti e interfacce nei cristalli, i ricercatori hanno sondato il comportamento dinamico dei fononi vicino a un singolo punto quantico di silicio-germanio utilizzando la spettroscopia di perdita di energia di elettroni vibrazionali in un microscopio elettronico a trasmissione, un'apparecchiatura ospitata nell'Istituto di ricerca sui materiali di Irvine nel campus dell'UCI. I risultati del progetto sono oggetto di un paper pubblicato oggi su Nature .

"Abbiamo sviluppato una nuova tecnica per mappare in modo differenziale il momento fononico con la risoluzione atomica, che ci consente di osservare i fononi di non equilibrio che esistono solo vicino all'interfaccia", ha affermato il coautore Xiaoqing Pan, professore di scienza dei materiali, ingegneria e fisica, Henry Samueli Endowed Cattedra di ingegneria e direttore dell'IMRI. "Questo lavoro segna un importante progresso nel campo perché è la prima volta che siamo stati in grado di fornire prove dirette che l'interazione tra riflessione diffusiva e speculare dipende in gran parte dalla struttura atomistica dettagliata."

Secondo Pan, su scala atomica, il calore viene trasportato nei materiali solidi come un'onda di atomi spostati dalla loro posizione di equilibrio mentre il calore si allontana dalla sorgente termica. Nei cristalli, che possiedono una struttura atomica ordinata, queste onde sono dette fononi:pacchetti d'onda di spostamenti atomici che trasportano energia termica pari alla loro frequenza di vibrazione.

Utilizzando una lega di silicio e germanio, il team è stato in grado di studiare come si comportano i fononi nell'ambiente disordinato del punto quantico, nell'interfaccia tra il punto quantico e il silicio circostante e attorno alla superficie a forma di cupola della nanostruttura del punto quantico stesso.

"Abbiamo scoperto che la lega SiGe presentava una struttura compositivamente disordinata che impediva la propagazione efficiente dei fononi", ha affermato Pan. "Poiché gli atomi di silicio sono più vicini tra loro degli atomi di germanio nelle rispettive strutture pure, la lega allunga un po' gli atomi di silicio. A causa di questo sforzo, il team dell'UCI ha scoperto che i fononi venivano ammorbiditi nel punto quantico a causa della deformazione e dell'effetto legante ingegnerizzato all'interno della nanostruttura."

Pan ha aggiunto che i fononi ammorbiditi hanno meno energia, il che significa che ogni fonone trasporta meno calore, riducendo di conseguenza la conduttività termica. L'attenuazione delle vibrazioni è alla base di uno dei tanti meccanismi con cui i dispositivi termoelettrici impediscono il flusso di calore.

Uno dei risultati chiave del progetto è stato lo sviluppo di una nuova tecnica per mappare la direzione dei vettori termici nel materiale. "Questo è analogo al conteggio di quanti fononi stanno salendo o scendendo e prendendo la differenza, indicando la loro direzione di propagazione dominante", ha detto. "Questa tecnica ci ha permesso di mappare il riflesso dei fononi dalle interfacce."

Gli ingegneri elettronici sono riusciti a miniaturizzare le strutture ei componenti dell'elettronica a tal punto che ora sono dell'ordine di un miliardesimo di metro, molto più piccolo della lunghezza d'onda della luce visibile, quindi queste strutture sono invisibili alle tecniche ottiche.

"I progressi nella nanoingegneria hanno superato i progressi nella microscopia elettronica e nella spettroscopia, ma con questa ricerca stiamo iniziando il processo di recupero", ha affermato il coautore Chaitanya Gadre, uno studente laureato nel gruppo di Pan all'UCI.

Un probabile campo che trarrà vantaggio da questa ricerca è il termoelettrico, i sistemi materiali che convertono il calore in elettricità. "Gli sviluppatori di tecnologie termoelettriche si sforzano di progettare materiali che impediscano il trasporto termico o promuovano il flusso di cariche, e la conoscenza a livello atomico di come il calore viene trasmesso attraverso i solidi incorporati come spesso accade con difetti, difetti e imperfezioni, aiuterà in questa ricerca ", ha affermato il coautore Ruqian Wu, professore di fisica e astronomia all'UCI.

"Più del 70 percento dell'energia prodotta dalle attività umane è calore, quindi è imperativo trovare un modo per riciclarlo in una forma utilizzabile, preferibilmente elettricità per alimentare la crescente domanda di energia dell'umanità", ha detto Pan. + Esplora ulteriormente

Gli scienziati misurano le modalità vibrazionali locali in corrispondenza di singole faglie cristalline