p (Phys.org) - Fônons de vetores de ondas grandes modificados em membranas semicondutoras via espalhamento térmico difuso de raios-X (TDS) foram observados que fornecem uma nova visão sobre as propriedades térmicas e eletrônicas fundamentais dos nanomateriais. A observação de TDS de raios-X de membranas de silício suspensas com espessuras abaixo de 10 nm expande amplamente a gama de materiais para os quais esses modos vibracionais podem ser estudados. Compreender o confinamento de fônons em nanoestruturas permitirá o controle da temperatura, óptico, e propriedades de transporte elétrico. p Usando o alto brilho da Fonte Avançada de Fótons no Centro de Materiais em Nanoescala (CNM) linha de luz de Nanoprobe de Raios-X Duros, a equipe analisou quantitativamente o sinal TDS dos fônons de limite de zona e forneceu uma visão sobre a dinâmica da rede de nanoestruturas. A equipe incluiu pesquisadores dos grupos de Microscopia de Raios-X e Nanofabricação e Dispositivos da CNM no Laboratório Nacional de Argonne, a Universidade de Wisconsin-Madison, e a Instalação Européia de Radiação Síncrotron.

p A observação de grande atividade de fônon de vetor de onda em membranas semicondutoras em nanoescala por meio de TDS de raios-X síncrotron demonstra o potencial para fundamentalmente novos insights experimentais sobre o comportamento dinâmico de sólidos em nanoescala. Grandes vibrações de rede de vetor de onda têm comprimento de onda relativamente menor e, portanto, desempenham um papel cada vez mais importante na transferência de energia e mobilidade de elétrons em nanoescala. Uma característica importante desses modos é que eles são significativamente menos sensíveis ao espalhamento de interfaces e defeitos do que suas contrapartes de vetor de onda pequena. O estudo dessas vibrações em materiais em nanoescala tem sido fundamentalmente limitado tanto pelo baixo limite do vetor de onda das técnicas de espalhamento óptico quanto pelos requisitos de grande volume de amostra das técnicas de espalhamento inelástico de nêutrons e raios-X.

p O TDS de raios-X síncrotron permite a coleta simultânea de informações vibracionais em uma ampla faixa de espaço recíproco que pode ser precisamente relacionada aos vetores de onda dos fônons. A distribuição da intensidade do TDS pode ser analisada para determinar a dispersão dos fônons - que é a relação entre a frequência e o vetor de onda das vibrações. Neste experimento, As técnicas de TDS foram adaptadas para uso em sistemas em nanoescala. A análise dos desvios das intensidades de TDS em massa observados aqui em grandes vetores de ondas mostra que a dispersão de fônons de vetores de ondas grandes em membranas de silício com espessuras de dezenas de nanômetros e menores é fortemente influenciada pelo desenvolvimento de novos modos vibracionais que surgem porque a membrana não é restrita mecanicamente em suas superfícies. Esta abordagem permitirá que o estudo experimental e a subsequente engenharia de fônons em nanoestruturas ultrapassem as aproximações que são válidas apenas no regime de baixo vetor de onda. Os resultados contribuem para uma caixa de ferramentas expandida para o projeto de novos dispositivos térmicos e eletrônicos.