(a) Mapa de la dispersión difusa térmica de rayos X duros que surge de fonones con vectores de onda en toda la zona de Brillouin de (b) láminas de membranas de silicio suspendidas con un espesor de escala nanométrica. (c) Los resultados de la dispersión exhiben un exceso de intensidad en grandes vectores de onda consistente con un ablandamiento efectivo de la membrana debido a los nuevos modos de fonón de flexión y dilución.
(Phys.org) —Se observaron fonones de vector de onda grandes modificados en membranas semiconductoras a través de la dispersión difusa térmica (TDS) de rayos X duros que proporcionan una nueva perspectiva de las propiedades térmicas y electrónicas fundamentales de los nanomateriales. La observación de TDS de rayos X de membranas de silicio suspendidas con espesores inferiores a 10 nm amplía enormemente la gama de materiales para los que se pueden estudiar estos modos vibratorios. Comprender el confinamiento de fonones en nanoestructuras permitirá el control de la temperatura, óptico, y propiedades de transporte eléctrico.
Usando el alto brillo de la fuente de fotones avanzada en el centro de materiales a nanoescala (CNM) línea de luz de nanoprobe de rayos X duros, el equipo analizó cuantitativamente la señal de TDS de los fonones de límite de zona y proporcionó información sobre la dinámica de la red de las nanoestructuras. El equipo incluyó a investigadores de los grupos de Microscopía de Rayos X y Nanofabricación y Dispositivos del CNM en el Laboratorio Nacional de Argonne. la Universidad de Wisconsin-Madison, y la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón.
La observación de la actividad de fonones de vectores de ondas grandes en membranas semiconductoras a nanoescala mediante TDS de rayos X de sincrotrón demuestra el potencial de conocimientos experimentales fundamentalmente nuevos sobre el comportamiento dinámico de los sólidos a nanoescala. Las vibraciones reticulares de vectores de ondas grandes tienen una longitud de onda relativamente más pequeña y, por lo tanto, desempeñan un papel cada vez más clave en la transferencia de energía y la movilidad de electrones a nanoescala. Una característica importante de estos modos es que son significativamente menos sensibles a la dispersión de interfaces y defectos que sus contrapartes de vector de onda pequeño. El estudio de estas vibraciones en materiales a nanoescala se ha visto fundamentalmente limitado tanto por el bajo límite del vector de onda de las técnicas de dispersión óptica como por los requisitos de gran volumen de muestra de las técnicas de dispersión inelástica de rayos X y neutrones.
El TDS de rayos X de sincrotrón permite la recopilación simultánea de información vibracional en un amplio rango de espacio recíproco que puede relacionarse con precisión con los vectores de onda de los fonones. La distribución de la intensidad de TDS se puede analizar para determinar la dispersión de fonones, que es la relación entre la frecuencia y el vector de onda de las vibraciones. En este experimento, Las técnicas de TDS se adaptaron para su uso en sistemas a nanoescala. El análisis de las desviaciones de las intensidades generales de TDS observadas aquí en grandes vectores de onda muestra que la dispersión de fonones de vector de onda grande en membranas de silicio con espesores de decenas de nanómetros y menores está fuertemente influenciada por el desarrollo de nuevos modos vibracionales que surgen porque la membrana no está restringida mecánicamente en sus superficies. Este enfoque permitirá que el estudio experimental y la posterior ingeniería de fonones en nanoestructuras vayan más allá de aproximaciones que solo son válidas en el régimen de vector de onda bajo. Los resultados contribuyen a una caja de herramientas ampliada para el diseño de nuevos dispositivos térmicos y electrónicos.
