Souvent admirés pour leur apparence impeccable à l’œil nu, les cristaux peuvent présenter des défauts à l’échelle nanométrique, et ces imperfections peuvent affecter les propriétés thermiques et de transportation de chaleur des matériaux cristallins utilisés dans divers dispositifs de haute technologie.


Utilisant des techniques de microscopie électronique nouvellement développées, des chercheurs de l’Université de Californie, d’Irvine et d’autres institutions ont, pour la première fois, mesuré le spectre des phonons – vibrations mécaniques quantiques dans un réseau – au niveau de failles cristallines individuelles, et ils ont découvert la propagation de phonons près des défauts. Les résultats de l’équipe font l’objet d’une étude publiée récemment dans Nature.

« Les défauts ponctuels, les dislocations, les défauts d’empilement et les joints de grains sont souvent trouvés dans les matériaux cristallins, et ces défauts peuvent avoir un influence significatif sur la conductivité thermique et les performances thermoélectriques d’une material », a déclaré le co-auteur principal Xiaoqing Pan, président de l’UCI Henry Samueli Endowed Chair in Ingénieur, ainsi que professeur de science et génie des matériaux et de physique et astronomie.


Il a dit 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 d’espace et d’impulsion suffisamment élevée. Pan et ses collaborateurs ont abordé le problème à travers le développement novateur de la spectroscopie vibrationnelle résolue dans l’espace et la quantité de mouvement dans un microscope électronique à transmission à l’Institut de recherche sur les matériaux Irvine de l’UCI.

Avec cette strategy, ils ont pu observer des défauts individuels dans le carbure de silicium cubique, un matériau avec une significant gamme d’applications dans les appareils électroniques. Pan et ses collègues savaient comment les imperfections dans le carbure de silicium se manifestent sous forme de 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 au niveau des défauts intrinsèques et non intrinsèques des matériaux », a déclaré Pan, également directeur de l’IMRI et du Centre pour les matériaux complexes et actifs de l’UCI, financé par la Countrywide Science Basis. « Nous nous attendons à ce qu’il trouve des programs importantes dans de nombreux domaines différents, allant de l’étude des phonons interfaciaux induisant une résistance thermique aux buildings défectueuses conçues pour optimiser les propriétés thermiques d’un matériau. »