Nowo odkryte nanowibracje skutecznie rozproszą ciepło

Drgania atomów w sieciach krystalicznych materiałów nie są chaotyczne, lecz mniej lub bardziej uporządkowane. Wzbudzenia sieci, nazywane fononami, zależą od wielu czynników, takich jak symetria kryształu czy masy atomów. Inaczej oscylują atomy w głębi litego kryształu, inaczej na jego powierzchni, jeszcze inaczej, gdy materiał tworzy na podłożu np. nanowyspy, czyli niewielkie klastry atomowe.

Międzynarodowy zespół fizyków, złożony z naukowców Instytutu Fizyki Jądrowej PAN (IFJ PAN) w Krakowie, niemieckiej Politechniki w Karlsruhe (PK) oraz francuskiego ESRF w Grenoble, po raz pierwszy kompleksowo przebadał, jak zmieniają się wibracje sieci krystalicznej dwukrzemku europu (EuSi2) w zależności od ukształtowania jego struktur osadzonych na podłożu z krzemu Badania ukazały się w czasopiśmie Physical Review Letters (http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.276101). O badaniach poinformował IFJ PAN w przesłanym PAP komunikacie.

Badania przyniosły niezwykły rezultat: w próbce, w której nanowyspy dwukrzemku europu stykały się ze sobą, zaobserwowano drgania nowego typu.

"Zwykle przez nanoinżynierię rozumie się modyfikowanie materiału w skali nanometrów, czyli miliardowych części metra. Badania nad dwukrzemkiem europu, w których uczestniczyliśmy, pozwalają nam zaproponować coś więcej: nanoinżynierię fononową, czyli taką, w której starannie projektuje się nie tyle samą strukturę materiału, ile drgania atomów w jego sieci krystalicznej" - mówi dr hab. Przemysław Piekarz (IFJ PAN).

Materiały tego typu już dziś są interesujące z uwagi na potencjalne zastosowania w układach nanoelektronicznych, np. przy produkcji współczesnych procesorów. Jednak w niskich temperaturach dwukrzemek europu wykazuje także ciekawe własności magnetyczne, co czyni go atrakcyjnym dla następczyni elektroniki: spintroniki.

Dwukrzemek europu to metaliczny związek, który łatwo wiąże się z krzemem. W krysztale EuSi2 każdy atom europu w głębi sieci jest otoczony przez 12 atomów krzemu. Układ ma symetrię nazywaną tetragonalną: odległość między atomami w jednym kierunku jest tu inna niż w dwóch pozostałych kierunkach.

Związki ziem rzadkich z krzemem nie były dotychczas kompleksowo badane pod kątem drgań sieci, a te odgrywają przecież fundamentalną rolę m.in. w transporcie ciepła. Tymczasem w układach nanoelektronicznych, gdzie ciepło wydziela się w dużych ilościach, właściwości cieplne materiału stają się nie mniej ważne od jego cech elektrycznych czy magnetycznych.

Grupa dr. Svetoslava Stankova (PK) opracowała procedurę epitaksjalnego wytwarzania nanostruktur dwukrzemku europu, polegającą na osadzaniu w warunkach ultrawysokiej próżni niewielkich ilości atomów europu na podgrzewanym podłożu z krystalicznego krzemu. Dobierając temperaturę podłoża i liczbę atomów europu można w ten sposób otrzymywać struktury EuSi2 o określonej morfologii.

„W eksperymencie skoncentrowaliśmy się na czterech przypadkach: jednorodnej powłoce, którą można było traktować jak lity kryształ, powłoce mocno pofałdowanej oraz na dwóch strukturach zbudowanych z nanowysp” - mówi dr Stankov i dodaje: „Nanowyspa jest efektem samoorganizacji atomów osadzających się na podłożu: to wyraźnie wyodrębnione skupisko atomów, osiągające rozmiary rzędu kilkudziesięciu nanometrów przy wysokości kilkunastu nanometrów. Najciekawsze okazały się próbki, w których nanowyspy dwukrzemku europu były od siebie całkowicie odizolowane oraz takie, gdzie nanowyspy mogły się ze sobą stykać”.

Próbki wytwarzano w komorze ultrawysokiej próżni na linii pomiarowej rezonansu jądrowego w synchrotronie ESRF, gdzie od razu analizowano ich właściwości za pomocą nieelastycznego rozpraszania jądrowego (NIS).

W IFJ PAN przeprowadzono badania teoretyczne. Grupa krakowska zajmowała się nie tylko modelowaniem drgań sieci krystalicznej struktur dwukrzemku europu, ale także ustalaniem warunków przeprowadzania eksperymentów w synchrotronie ESRF.

Szczególnie interesujące wyniki otrzymano dla próbek z nanowyspami. W przypadku podłoża pokrytego oddzielonymi od siebie nanowyspami zaobserwowano znaczny wzrost amplitud drgań atomów europu. A to przekłada się na wyraźnie większe możliwości w zakresie transportu ciepła.

Najciekawszy efekt pojawił się jednak w próbce z nanowyspami przylegającymi do siebie. Na styku między nanowyspami dostrzeżono dodatkowe drgania, o charakterystycznej energii. Chociaż przewidywane wcześniej teoretycznie, zostały po raz pierwszy potwierdzone eksperymentalnie. Ich istnienie to kolejna „furtka”, przez którą materiał może odprowadzać ciepło do otoczenia. Za pomocą stykających się nanowysp realne staje się więc znaczne zwiększenie efektywności transportu ciepła w nanostrukturach.

„W trakcie analiz materiałowych naukowcy zwykle przyglądają się właściwościom próbki o ustalonej morfologii. My opisaliśmy całe spektrum możliwych struktur dwukrzemku europu. Zaawansowany model teoretyczny i precyzyjne pomiary pozwoliły po raz pierwszy dokładnie prześledzić, jak drgania sieci krystalicznej materiału zmieniają się w zależności od sposobu zabudowania podłoża" - podkreśla dr Piekarz.

Prace badawcze nad dwukrzemkiem europu, po stronie polskiej finansowane z grantu HARMONIA Narodowego Centrum Nauki.

PAP - Nauka w Polsce

lt/ agt/