A menudo admirado por su impecable apariencia a simple vista, los cristales pueden tener defectos a escala nanométrica, y estas imperfecciones pueden afectar las propiedades térmicas y de transporte de calor de los materiales cristalinos utilizados en una variedad de dispositivos de alta tecnología.

Empleando técnicas de microscopía electrónica recientemente desarrolladas, investigadores de la Universidad de California, Irvine y otras instituciones tienen, por primera vez, midió los espectros de fonones (vibraciones mecánicas cuánticas en una red) en fallas cristalinas individuales, y descubrieron la propagación de fonones cerca de las fallas. Los hallazgos del equipo son objeto de un estudio publicado recientemente en Naturaleza .

"Defectos puntuales, dislocaciones, Las fallas de apilamiento y los límites de grano se encuentran a menudo en materiales cristalinos, y estos defectos pueden tener un impacto significativo en la conductividad térmica y el rendimiento termoeléctrico de una sustancia, "dijo el coautor principal Xiaoqing Pan, Cátedra de Ingeniería Henry Samueli de la UCI, así como profesor de ciencia e ingeniería de materiales y física y astronomía.

Dijo que existen amplias teorías para explicar las interacciones entre las imperfecciones del cristal y los fonones, pero poca validación experimental debido a la incapacidad de los métodos anteriores para ver los fenómenos con una resolución de espacio y momento suficientemente alta. Pan y sus colaboradores abordaron el problema a través del novedoso desarrollo de la espectroscopia vibratoria resuelta en el espacio y el momento en un microscopio electrónico de transmisión en el Instituto de Investigación de Materiales de Irvine de la UCI.

Con esta técnica, pudieron observar defectos individuales en carburo de silicio cúbico, un material con una amplia gama de aplicaciones en dispositivos electrónicos. Pan y sus colegas estaban familiarizados con cómo las imperfecciones en el carburo de silicio se manifiestan como fallas de apilamiento, y el trabajo teórico ha descrito los impactos termoeléctricos, pero ahora el equipo ha producido datos experimentales directos para caracterizar las interacciones de los fonones con los defectos individuales.

"Nuestro método abre la posibilidad de estudiar los modos vibracionales locales en defectos intrínsecos y no intrínsecos en los materiales, "dijo Pan, quien también es director del IMRI y del Centro de Materiales Complejos y Activos de la UCI, financiado por la National Science Foundation. "Esperamos que encuentre aplicaciones importantes en muchas áreas diferentes, que van desde el estudio de fonones interfaciales inductores de resistencia térmica hasta estructuras defectuosas diseñadas para optimizar las propiedades térmicas de un material ".