A medida que las tecnologías electrónicas, termoeléctricas e informáticas se han miniaturizado a escala nanométrica, los ingenieros se han enfrentado al desafío de estudiar las propiedades fundamentales de los materiales involucrados; en muchos casos, los objetivos son demasiado pequeños para ser observados con instrumentos ópticos.

Utilizando microscopios electrónicos de última generación y técnicas novedosas, un equipo de investigadores de la Universidad de California en Irvine, el Instituto Tecnológico de Massachusetts y otras instituciones ha encontrado una manera de mapear fonones (vibraciones en redes cristalinas) en resolución atómica, lo que permite una comprensión más profunda. de la forma en que el calor viaja a través de puntos cuánticos, nanoestructuras diseñadas en componentes electrónicos.

Para investigar cómo los fonones se dispersan por fallas e interfaces en los cristales, los investigadores probaron el comportamiento dinámico de los fonones cerca de un solo punto cuántico de silicio-germanio usando espectroscopía de pérdida de energía de electrones vibratorios en un microscopio electrónico de transmisión, equipo alojado en el Instituto de Investigación de Materiales de Irvine. en el campus de la UCI. Los resultados del proyecto son el tema de un artículo publicado hoy en Nature .

"Desarrollamos una técnica novedosa para mapear diferencialmente los momentos de fonones con resolución atómica, lo que nos permite observar fonones fuera del equilibrio que solo existen cerca de la interfaz", dijo el coautor Xiaoqing Pan, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y física de la UCI, Henry Samueli Endowed Catedrático de Ingeniería y director del IMRI. "Este trabajo marca un gran avance en el campo porque es la primera vez que hemos podido proporcionar evidencia directa de que la interacción entre la reflexión difusiva y especular depende en gran medida de la estructura atomística detallada".

Según Pan, a escala atómica, el calor se transporta en los materiales sólidos como una ola de átomos desplazados de su posición de equilibrio a medida que el calor se aleja de la fuente térmica. En los cristales, que poseen una estructura atómica ordenada, estas ondas se denominan fonones:paquetes de ondas de desplazamientos atómicos que transportan energía térmica igual a su frecuencia de vibración.

Utilizando una aleación de silicio y germanio, el equipo pudo estudiar cómo se comportan los fonones en el entorno desordenado del punto cuántico, en la interfaz entre el punto cuántico y el silicio circundante, y alrededor de la superficie en forma de cúpula de la nanoestructura del punto cuántico. mismo.

"Descubrimos que la aleación de SiGe presentaba una estructura desordenada en su composición que impedía la propagación eficiente de los fonones", dijo Pan. "Debido a que los átomos de silicio están más juntos que los átomos de germanio en sus respectivas estructuras puras, la aleación estira un poco los átomos de silicio. Debido a esta tensión, el equipo de la UCI descubrió que los fonones se estaban suavizando en el punto cuántico debido a la tensión y al efecto de aleación. diseñado dentro de la nanoestructura".

Pan agregó que los fonones suavizados tienen menos energía, lo que significa que cada fonón transporta menos calor, lo que reduce la conductividad térmica como resultado. El ablandamiento de las vibraciones está detrás de uno de los muchos mecanismos de cómo los dispositivos termoeléctricos impiden el flujo de calor.

Uno de los resultados clave del proyecto fue el desarrollo de una nueva técnica para mapear la dirección de los portadores térmicos en el material. "Esto es análogo a contar cuántos fonones suben o bajan y tomar la diferencia, indicando su dirección dominante de propagación", dijo. "Esta técnica nos permitió mapear el reflejo de los fonones desde las interfaces".

Los ingenieros electrónicos han tenido éxito en la miniaturización de estructuras y componentes en electrónica hasta tal punto que ahora son del orden de una milmillonésima parte de un metro, mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz visible, por lo que estas estructuras son invisibles para las técnicas ópticas.

"El progreso en nanoingeniería ha superado los avances en microscopía electrónica y espectroscopia, pero con esta investigación, estamos comenzando el proceso de ponernos al día", dijo el coautor Chaitanya Gadre, estudiante de posgrado en el grupo de Pan en la UCI.

Un campo probable que se beneficiará de esta investigación es la termoeléctrica:sistemas de materiales que convierten el calor en electricidad. "Los desarrolladores de tecnologías termoeléctricas se esfuerzan por diseñar materiales que impidan el transporte térmico o promuevan el flujo de cargas, y el conocimiento a nivel atómico de cómo se transmite el calor a través de sólidos incrustados como suelen estar con fallas, defectos e imperfecciones ayudará en esta búsqueda. ”, dijo el coautor Ruqian Wu, profesor de física y astronomía de la UCI.

"Más del 70 por ciento de la energía producida por las actividades humanas es calor, por lo que es imperativo que encontremos una manera de reciclar esto de nuevo en una forma utilizable, preferiblemente electricidad para alimentar las crecientes demandas de energía de la humanidad", dijo Pan. + Explora más

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