(a) Carte de la diffusion thermique diffuse des rayons X durs résultant de phonons avec des vecteurs d'onde à travers toute la zone de Brillouin de (b) feuilles de membranes de silicium suspendues d'une épaisseur nanométrique. (c) Les résultats de diffusion montrent un excès d'intensité à de grands vecteurs d'onde compatible avec un ramollissement efficace de la membrane en raison de nouveaux modes de phonons de flexion et de dilatation.
(Phys.org) —Des phonons à grand vecteur d'onde modifiés dans des membranes semi-conductrices via la diffusion thermique diffuse des rayons X durs (TDS) ont été observés, ce qui donne un nouvel aperçu des propriétés thermiques et électroniques fondamentales des nanomatériaux. L'observation de TDS aux rayons X à partir de membranes de silicium suspendues avec des épaisseurs inférieures à 10 nm élargit considérablement la gamme de matériaux pour lesquels ces modes de vibration peuvent être étudiés. La compréhension du confinement des phonons dans les nanostructures permettra de maîtriser la thermique, optique, et les propriétés de transport électrique.
En utilisant la haute brillance de la source de photons avancée de la ligne de faisceau de nanosondes à rayons X durs du Center for Nanoscale Materials (CNM), l'équipe a analysé quantitativement le signal TDS des phonons de la limite de zone et a fourni un aperçu de la dynamique du réseau des nanostructures. L'équipe comprenait des chercheurs des groupes de microscopie à rayons X et de nanofabrication et de dispositifs du CNM au laboratoire national d'Argonne, l'Université du Wisconsin-Madison, et l'installation européenne de rayonnement synchrotron.
L'observation d'une grande activité de phonons à vecteur d'onde dans des membranes semi-conductrices à l'échelle nanométrique par le biais du TDS à rayons X synchrotron démontre le potentiel d'informations expérimentales fondamentalement nouvelles sur le comportement dynamique des solides à l'échelle nanométrique. Les grandes vibrations du réseau de vecteurs d'onde ont une longueur d'onde relativement plus petite et jouent donc un rôle de plus en plus clé dans le transfert d'énergie et la mobilité des électrons à l'échelle nanométrique. Une caractéristique importante de ces modes est qu'ils sont nettement moins sensibles à la diffusion des interfaces et des défauts que leurs homologues à petit vecteur d'onde. L'étude de ces vibrations dans les matériaux à l'échelle nanométrique a été fondamentalement limitée à la fois par la faible limite de vecteur d'onde des techniques de diffusion optique et par les exigences de volume d'échantillon important des techniques de diffusion inélastique des rayons X et des neutrons.
Le TDS à rayons X synchrotron permet la collecte simultanée d'informations vibrationnelles sur une large gamme d'espaces réciproques qui peuvent être précisément liées aux vecteurs d'onde des phonons. La distribution de l'intensité TDS peut être analysée pour déterminer la dispersion des phonons, qui est la relation entre la fréquence et le vecteur d'onde des vibrations. Dans cette expérience, Les techniques TDS ont été adaptées pour être utilisées dans des systèmes à l'échelle nanométrique. L'analyse des écarts par rapport aux intensités TDS apparentes observées ici aux grands vecteurs d'onde montre que la dispersion des phonons à grand vecteur d'onde dans les membranes de silicium avec des épaisseurs de quelques dizaines de nanomètres et moins est fortement influencée par le développement de nouveaux modes vibrationnels qui surviennent parce que la membrane n'est pas contrainte mécaniquement à ses surfaces. Cette approche permettra à l'étude expérimentale et à l'ingénierie ultérieure des phonons dans les nanostructures d'aller au-delà des approximations qui ne sont valables que dans le régime de vecteur d'onde faible. Les résultats contribuent à une boîte à outils élargie pour la conception de nouveaux dispositifs thermiques et électroniques.
