Muitas vezes admirado por sua aparência impecável a olho nu, cristais podem ter defeitos em escala nanométrica, e essas imperfeições podem afetar as propriedades térmicas e de transporte de calor de materiais cristalinos usados ​​em uma variedade de dispositivos de alta tecnologia.

Empregando técnicas de microscopia eletrônica recentemente desenvolvidas, pesquisadores da Universidade da Califórnia, Irvine e outras instituições têm, pela primeira vez, mediu os espectros de fônons - vibrações da mecânica quântica em uma rede - em falhas cristalinas individuais, e eles descobriram a propagação de fônons perto das falhas. As descobertas da equipe são o assunto de um estudo publicado recentemente em Natureza .

"Ponto de defeitos, deslocamentos, falhas de empilhamento e limites de grãos são frequentemente encontrados em materiais cristalinos, e esses defeitos podem ter um impacto significativo na condutividade térmica e desempenho termoelétrico de uma substância, "disse o co-autor sênior Xiaoqing Pan, Henry Samueli, da UCI, com dotação de cadeira de engenharia, bem como professor de ciência dos materiais e engenharia e física e astronomia.

Ele disse que existem muitas teorias para explicar as interações entre as imperfeições do cristal e os fônons, mas pouca validação experimental devido à incapacidade dos métodos anteriores de visualizar os fenômenos em alta resolução de espaço e momento. Pan e seus colaboradores abordaram o problema por meio do novo desenvolvimento da espectroscopia vibracional resolvida no espaço e no momento em um microscópio eletrônico de transmissão no Irvine Materials Research Institute da UCI.

Com esta técnica, eles foram capazes de observar defeitos individuais no carboneto de silício cúbico, um material com ampla gama de aplicações em dispositivos eletrônicos. Pan e seus colegas estavam familiarizados com a forma como as imperfeições no carboneto de silício se manifestam como falhas de empilhamento, e o trabalho teórico descreveu os impactos termoelétricos, mas agora a equipe produziu dados experimentais diretos para caracterizar as interações do fônon com os defeitos individuais.

"Nosso método abre a possibilidade de estudar os modos vibracionais locais em defeitos intrínsecos e não intrínsecos nos materiais, "disse Pan, que também é diretor do IMRI e do Centro de Materiais Complexos e Ativos da UCI, financiado pela National Science Foundation. "Esperamos encontrar aplicações importantes em muitas áreas diferentes, variando do estudo de fônons interfaciais indutores de resistência térmica a estruturas defeituosas projetadas para otimizar as propriedades térmicas de um material. "