科学家利用透射电镜研究量子点附近的声学行为

随着电子、热电和计算机技术被微型化到纳米级，科学家们们面临着研究所涉及材料的基本特性的挑战：在许多情况下，这些目标太小，无法用光学仪器观察到。美国两家大学的一个研究小组利用尖端电子显微镜和新技术，找到了一种以原子分辨率绘制声子（晶格中的振动）的方法，从而能够更深入地了解热通过量子点的传播方式，量子点是电子元件中的工程纳米结构。

为了研究声子是如何被晶体中的缺陷和界面散射的，科学家们在一个透射电子显微镜中使用振动电子能量损失谱仪，研究了硅锗单量子点附近声子的动力学行为。“我们开发了一种新技术，用原子分辨率差分映射声子动量，这使我们能够观察到仅存在于界面附近的非平衡声子。”科学家们解释说：“这项工作标志着该领域取得了重大进展，因为这是我们首次能够提供直接证据，证明扩散反射和镜面反射之间的相互作用在很大程度上取决于原子结构。”

根据这位科学家解释的，在原子尺度上，热量在固体材料中以原子波的形式传输，当热量离开热源时，原子波从平衡位置位移。在具有有序原子结构的晶体中，这些波被称为声子。利用硅和锗的合金，联合科学团队能够研究声子在量子点无序环境中、量子点与周围硅的界面中以及量子点纳米结构本身圆顶状结构的行为。

另一位科学家说：“我们发现SiGe合金呈现出一种成分无序的结构，阻碍了声子的有效传播，由于硅原子在各自的纯结构中比锗原子靠得更近，合金使硅原子略微拉伸。另外我们发现，由于纳米结构中的应变和合金化效应，量子点中的声子正在软化。软化后的声子能量更少，这意味着每个声子携带的热量更少，从而降低了导热性，振动的软化是热电装置阻碍热量流动的众多机制之一。”

大家看到这里可能很懵，这说了半天到底什么意思。总的来说，该项目的关键成果之一是开发了一种新技术，可以用于绘制材料中热载体的方向。“这类似于计算有多少声子在上升或下降，并计算差异，表明它们的主要传播方向，这项技术使我们能够映射界面上声子的反射。”科学家们解释说。电子工程师们已经成功地将电子技术中的结构和组件微型化到了这样的程度，现在它们的尺寸已经降到了十亿分之一米左右，远小于可见光的波长，因此这些结构对于光学技术来说是看不见的。

“纳米工程的进步已经超过了电子显微镜和光谱学的进步，但通过这项研究，我们正在开始赶超的过程。”一位研究生参与者表示。从这项研究中受益的一个领域是热电材料系统——将热量转化为电能的材料系统。“热电技术领域的科学家致力于设计阻碍热传输或促进电荷流动的材料，而原子水平上关于热如何通过嵌入有缺陷、缺陷和瑕疵的固体传递的知识将有助于这一探索。”本次科学研究的负责人表示。