Souvent admirées pour leur aspect impeccable à l'œil nu, les cristaux peuvent avoir des défauts à l'échelle nanométrique, et ces imperfections peuvent affecter les propriétés thermiques et de transport de chaleur des matériaux cristallins utilisés dans une variété de dispositifs de haute technologie.

En utilisant des techniques de microscopie électronique nouvellement développées, chercheurs de l'Université de Californie, Irvine et d'autres institutions ont, pour la première fois, mesuré les spectres de phonons - vibrations mécaniques quantiques dans un réseau - au niveau de failles cristallines individuelles, et ils ont découvert la propagation des phonons près des failles. Les conclusions de l'équipe font l'objet d'une étude publiée récemment dans La nature .

"Défauts ponctuels, luxations, les défauts d'empilement et les joints de grains se retrouvent souvent dans les matériaux cristallins, et ces défauts peuvent avoir un impact significatif sur la conductivité thermique et les performances thermoélectriques d'une substance, " a déclaré Xiaoqing Pan, co-auteur principal, Chaire d'ingénierie Henry Samueli de l'UCI, ainsi qu'un professeur de science et d'ingénierie des matériaux et de physique et d'astronomie.

Il a déclaré qu'il existe de nombreuses théories pour expliquer les interactions entre les imperfections cristallines et les phonons, mais peu de validation expérimentale en raison de l'incapacité des méthodes antérieures à visualiser les phénomènes à une résolution suffisamment élevée dans l'espace et la quantité de mouvement. Pan et ses collaborateurs ont abordé le problème par le développement novateur de la spectroscopie vibrationnelle résolue dans l'espace et la quantité de mouvement dans un microscope électronique à transmission à l'Irvine Materials Research Institute de l'UCI.

Avec cette technique, ils ont pu observer des défauts individuels dans le carbure de silicium cubique, un matériau avec une large gamme d'applications dans les appareils électroniques. Pan et ses collègues savaient comment les imperfections du carbure de silicium se manifestent par des défauts d'empilement, et des travaux théoriques ont décrit les impacts thermoélectriques, mais maintenant, l'équipe a produit des données expérimentales directes pour caractériser les interactions des phonons avec les défauts individuels.

"Notre méthode ouvre la possibilité d'étudier les modes vibrationnels locaux aux défauts intrinsèques et non intrinsèques des matériaux, " dit Pan, qui est également directeur de l'IMRI et du Centre des matériaux complexes et actifs de l'UCI, financé par la National Science Foundation. "Nous nous attendons à ce qu'il trouve des applications importantes dans de nombreux domaines différents, allant de l'étude des phonons interfaciaux induisant une résistance thermique aux structures de défauts conçues pour optimiser les propriétés thermiques d'un matériau."