隨著電子、熱電和計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)小型化到納米級(jí)，工程師們面臨著研究相關(guān)材料基本特性的挑戰(zhàn)。在許多情況下，目標(biāo)太小而無法用光學(xué)儀器觀察。

利用尖端電子顯微鏡和新技術(shù)，加州大學(xué)歐文分校、麻省理工學(xué)院和其他機(jī)構(gòu)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(dòng))的方法，從而實(shí)現(xiàn)更深入的理解熱通過量子點(diǎn)的方式，電子元件中的工程納米結(jié)構(gòu)。

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(dòng)電子能量損失光譜法探測(cè)了硅鍺單量子點(diǎn)附近聲子的動(dòng)態(tài)行為，該設(shè)備位于歐文材料研究所。在UCI校園內(nèi)。該項(xiàng)目的成果是今天發(fā)表在《自然》雜志上的一篇論文的主題。

“我們開發(fā)了一種新技術(shù)，以原子分辨率差分映射聲子動(dòng)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(xué)與工程和物理學(xué)教授，HenrySamueliEndowed潘曉慶說。工程系主任，IMRI主任。“這項(xiàng)工作標(biāo)志著該領(lǐng)域的一項(xiàng)重大進(jìn)展，因?yàn)檫@是我們第一次能夠提供直接證據(jù)，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(xì)的原子結(jié)構(gòu)。”

根據(jù)潘的說法，在原子尺度上，熱量在固體材料中傳輸，因?yàn)楫?dāng)熱量遠(yuǎn)離熱源時(shí)，原子波會(huì)從其平衡位置移位。在具有有序原子結(jié)構(gòu)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(dòng)頻率。

使用硅和鍺的合金，該團(tuán)隊(duì)能夠研究聲子在量子點(diǎn)的無序環(huán)境、量子點(diǎn)與周圍硅之間的界面以及量子點(diǎn)納米結(jié)構(gòu)的圓頂形表面周圍的行為方式本身。

“我們發(fā)現(xiàn)SiGe合金呈現(xiàn)出一種成分無序的結(jié)構(gòu)，阻礙了聲子的有效傳播，”潘說。“由于硅原子在各自的純結(jié)構(gòu)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(yīng)變，UCI團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)由于應(yīng)變和合金化效應(yīng)，量子點(diǎn)中的聲子正在軟化在納米結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)計(jì)。”

潘補(bǔ)充說，軟化的聲子能量更少，這意味著每個(gè)聲子攜帶的熱量更少，從而降低了熱導(dǎo)率。振動(dòng)的軟化是熱電設(shè)備阻礙熱量流動(dòng)的眾多機(jī)制之一。

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

電子工程師已經(jīng)成功地將電子設(shè)備中的結(jié)構(gòu)和組件小型化到這樣的程度，以至于它們現(xiàn)在已經(jīng)下降到十億分之一米的數(shù)量級(jí)，遠(yuǎn)小于可見光的波長(zhǎng)，因此這些結(jié)構(gòu)對(duì)光學(xué)技術(shù)來說是不可見的。

“納米工程的進(jìn)步已經(jīng)超過了電子顯微鏡和光譜學(xué)的進(jìn)步，但通過這項(xiàng)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(xiàng)研究中受益的一個(gè)可能領(lǐng)域是熱電——將熱能轉(zhuǎn)化為電能的材料系統(tǒng)。“熱電技術(shù)的開發(fā)人員努力設(shè)計(jì)阻礙熱傳輸或促進(jìn)電荷流動(dòng)的材料，以及原子級(jí)知識(shí)如何通過嵌入的固體傳輸熱量，因?yàn)樗鼈兺ǔв腥毕?、缺陷和缺陷，將有助于這一探索”共同作者、UCI物理學(xué)和天文學(xué)教授吳如謙說。

“人類活動(dòng)產(chǎn)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(zhǎng)的能源需求，”潘說。