À medida que as tecnologias eletrônicas, termoelétricas e computacionais foram miniaturizadas em escala nanométrica, os engenheiros enfrentaram o desafio de estudar as propriedades fundamentais dos materiais envolvidos; em muitos casos, os alvos são muito pequenos para serem observados com instrumentos ópticos.
Usando microscópios eletrônicos de ponta e novas técnicas, uma equipe de pesquisadores da Universidade da Califórnia, Irvine, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts e de outras instituições encontrou uma maneira de mapear fônons - vibrações em redes cristalinas - em resolução atômica, permitindo uma compreensão mais profunda da maneira como o calor viaja através de pontos quânticos, nanoestruturas projetadas em componentes eletrônicos.

Para investigar como os fônons são espalhados por falhas e interfaces em cristais, os pesquisadores investigaram o comportamento dinâmico dos fônons perto de um único ponto quântico de silício-germânio usando espectroscopia vibracional de perda de energia de elétrons em um microscópio eletrônico de transmissão, equipamento alojado no Irvine Materials Research Institute no campus da UCI. Os resultados do projeto são objeto de um artigo publicado hoje na Nature .

"Desenvolvemos uma nova técnica para mapear diferencialmente os momentos dos fônons com resolução atômica, o que nos permite observar fônons fora do equilíbrio que só existem perto da interface", disse o coautor Xiaoqing Pan, professor de ciência e engenharia de materiais e física da UCI, Henry Samueli Endowed Cátedra de Engenharia e diretor do IMRI. "Este trabalho marca um grande avanço no campo porque é a primeira vez que conseguimos fornecer evidências diretas de que a interação entre reflexão difusa e especular depende em grande parte da estrutura atomística detalhada".

De acordo com Pan, na escala atômica, o calor é transportado em materiais sólidos como uma onda de átomos deslocados de sua posição de equilíbrio à medida que o calor se afasta da fonte térmica. Nos cristais, que possuem uma estrutura atômica ordenada, essas ondas são chamadas de fônons:pacotes de ondas de deslocamentos atômicos que carregam energia térmica igual à sua frequência de vibração.

Usando uma liga de silício e germânio, a equipe conseguiu estudar como os fônons se comportam no ambiente desordenado do ponto quântico, na interface entre o ponto quântico e o silício circundante e em torno da superfície em forma de cúpula da nanoestrutura do ponto quântico. em si.

"Descobrimos que a liga SiGe apresentava uma estrutura desordenada de composição que impedia a propagação eficiente dos fônons", disse Pan. "Como os átomos de silício estão mais próximos do que os átomos de germânio em suas respectivas estruturas puras, a liga estica um pouco os átomos de silício. Devido a essa tensão, a equipe da UCI descobriu que os fônons estavam sendo suavizados no ponto quântico devido à tensão e ao efeito de liga projetado dentro da nanoestrutura."

Pan acrescentou que os fônons amolecidos têm menos energia, o que significa que cada fônon carrega menos calor, reduzindo a condutividade térmica como resultado. O abrandamento das vibrações está por trás de um dos muitos mecanismos de como os dispositivos termoelétricos impedem o fluxo de calor.

Um dos principais resultados do projeto foi o desenvolvimento de uma nova técnica para mapear a direção dos portadores térmicos no material. "Isso é análogo a contar quantos fônons estão subindo ou descendo e tomando a diferença, indicando sua direção dominante de propagação", disse ele. "Esta técnica nos permitiu mapear a reflexão dos fônons das interfaces."

Engenheiros eletrônicos conseguiram miniaturizar estruturas e componentes eletrônicos a tal ponto que agora estão na ordem de um bilionésimo de metro, muito menor que o comprimento de onda da luz visível, de modo que essas estruturas são invisíveis às técnicas ópticas.

"O progresso na nanoengenharia ultrapassou os avanços na microscopia eletrônica e espectroscopia, mas com esta pesquisa, estamos começando o processo de recuperação", disse a coautora Chaitanya Gadre, estudante de pós-graduação do grupo de Pan na UCI.

Um campo provável para se beneficiar dessa pesquisa é a termoelétrica – sistemas de materiais que convertem calor em eletricidade. "Desenvolvedores de tecnologias termoelétricas se esforçam para projetar materiais que impeçam o transporte térmico ou promovam o fluxo de cargas, e o conhecimento em nível de átomo de como o calor é transmitido através de sólidos incorporados, como geralmente são com falhas, defeitos e imperfeições, ajudará nessa busca. ", disse o co-autor Ruqian Wu, professor de física e astronomia da UCI.

“Mais de 70 por cento da energia produzida pelas atividades humanas é calor, por isso é imperativo que encontremos uma maneira de reciclar isso de volta a uma forma utilizável, de preferência eletricidade para alimentar as crescentes demandas de energia da humanidade”, disse Pan. + Explorar mais

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