Дислокации в кристаллах — это места, где нарушается упорядоченная трехмерная структура кристаллической решетки, в которой расположение атомов повторяется с точно таким же расстоянием. Эффект такой, как если бы нож прорезал кристалл, а затем кусочки слиплись вместе, перекосив их исходное положение.
Эти дефекты сильно влияют на фононы, моды колебаний решетки, которые играют роль в тепловых и электрических свойствах кристаллов, через которые они проходят. Но точное понимание механизма взаимодействия дислокаций с фононами было неуловимым и спорным, что замедлило прогресс в использовании дислокаций для адаптации тепловых свойств материалов.
Команда из Массачусетского технологического института смогла узнать важные детали о том, как работают эти взаимодействия, которые могут послужить основой для будущих усилий по разработке термоэлектрических устройств и других электронных систем.
Результаты сообщаются в журнале Nano Letters, в статье, в соавторстве с постдоком Мингда Ли, главой кафедры машиностроения профессором Ганг Ченом, покойным профессором института Эмеритой Милдред Дрессельхаус и пятью другими.
Дислокации, которые Ли описывает как «атомные неоднородности в обычном кристалле», являются очень распространенными дефектами в кристаллах, и они влияют, например, на то, как тепло рассеивается через кремниевый микрочип или насколько хорошо ток течет через кремниевую солнечную панель.
Ли объясняет, что существовало два конкурирующих подхода к объяснению фононно-дислокационных взаимодействий, и несколько других вопросов о них остались нерешенными. Теперь команда Массачусетского технологического института нашла новый математический подход к анализу таких систем, используя новую квазичастицу, которую они сформулировали, под названием «дислон», которая представляет собой квантованную версию дислокации, которая, кажется, разрешает эти давние загадки.
«Люди пытались узнать, как дислокации изменяют свойства материала — электрические и тепловые», — говорит Ли. "Раньше существовало множество эмпирических моделей, для которых требовались подгоночные параметры. О природе рассеяния фононов на дислокациях велись долгие споры."
У новой теории, по словам Ли, другая отправная точка, поскольку она основана на строгой квантовой теории поля. Похоже, что он решает ряд проблем, в том числе дебаты между двумя взглядами, известными как подходы динамического и статического рассеяния, показывая, что это просто два крайних случая в этой новой структуре. И хотя оба этих подхода не могут объяснить поведение на наноуровне, новый подход хорошо работает на таких масштабах.
Результаты могут повлиять на поиск лучших термоэлектрических материалов, которые могут преобразовывать тепло в электричество.
Они используются для выработки энергии из отходящего тепла или для обогревателей автомобильных сидений. Термоэлектрические системы также могут обеспечивать охлаждение, например, ларьков с холодными напитками.
Чен, профессор энергетики Карла Ричарда Содерберга, связывает новые открытия с инициативой Ли. "Я не возлагал на это столько надежды", — сказал Чен. «Это довольно сложная проблема: как дислокации влияют на эти очень важные свойства. …
Я был очень удивлен, когда он вернулся с этой новой теорией. Он начал с основных принципов и получил квантовое описание для них."