物質中の熱の影響を原子レベルの分解能で観測(UCI scientists observe effects of heat in materials with atomic resolution)

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将来の電子・熱電変換技術の設計に役立つ研究です。 Research will benefit design of future electronic and thermoelectric technologies

2022-06-08 カリフォルニア大学校アーバイン校(UCI)

カリフォルニア大学アーバイン校、マサチューセッツ工科大学などの研究チームは、最先端の電子顕微鏡と新しい技術を用いて、結晶格子の振動であるフォノンを原子レベルの分解能でマッピングする方法を発見し、電子部品に用いられる工学的ナノ構造である量子ドットを熱がどのように伝わるかをより深く理解できるようになりました。
研究者らは、結晶中の欠陥や界面によってフォノンがどのように散乱されるかを調べるため、カリフォルニア大学アーバイン校の材料研究所にある透過型電子顕微鏡で、振動電子エネルギー損失分光法を用いてシリコン-ゲルマニウムの単一量子ドット付近のフォノンの動的挙動を探りました。このプロジェクトの成果は、Nature誌に掲載されました。

<関連情報>

電子顕微鏡によるフォノンダイナミクスのナノスケール画像化 Nanoscale imaging of phonon dynamics by electron microscopy

Chaitanya A. Gadre,Xingxu Yan,Qichen Song,Jie Li,Lei Gu,Huaixun Huyan,Toshihiro Aoki,Sheng-Wei Lee,Gang Chen,Ruqian Wu & Xiaoqing Pan
Nature  Published:08 June 2022
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-022-04736-8

Abstract

Spatially resolved vibrational mapping of nanostructures is indispensable to the development and understanding of thermal nanodevices1, modulation of thermal transport2 and novel nanostructured thermoelectric materials3,4,5. Through the engineering of complex structures, such as alloys, nanostructures and superlattice interfaces, one can significantly alter the propagation of phonons and suppress material thermal conductivity while maintaining electrical conductivity2. There have been no correlative experiments that spatially track the modulation of phonon properties in and around nanostructures due to spatial resolution limitations of conventional optical phonon detection techniques. Here we demonstrate two-dimensional spatial mapping of phonons in a single silicon–germanium (SiGe) quantum dot (QD) using monochromated electron energy loss spectroscopy in the transmission electron microscope. Tracking the variation of the Si optical mode in and around the QD, we observe the nanoscale modification of the composition-induced red shift. We observe non-equilibrium phonons that only exist near the interface and, furthermore, develop a novel technique to differentially map phonon momenta, providing direct evidence that the interplay between diffuse and specular reflection largely depends on the detailed atomistic structure: a major advancement in the field. Our work unveils the non-equilibrium phonon dynamics at nanoscale interfaces and can be used to study actual nanodevices and aid in the understanding of heat dissipation near nanoscale hotspots, which is crucial for future high-performance nanoelectronics.

 

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