材料科学：電子顕微鏡によるフォノンダイナミクスのナノスケール撮像

ナノ構造の空間分解された振動マッピングは、熱ナノデバイス、熱輸送の調節、新しいナノ構造化熱電材料の開発や理解に不可欠である。合金、ナノ構造、超格子界面などの複雑な構造のエンジニアリングを通して、フォノンの伝播を大きく変化させ、材料の電気伝導性を維持しながらその熱伝導性を抑制することができる。従来の光学的フォノン検出手法は、空間分解能に限界があるため、ナノ構造内やその周囲におけるフォノン特性の変化を空間的に追跡する相関実験はこれまで行われていなかった。今回我々は、透過型電子顕微鏡の単色化電子エネルギー損失分光法を用いて、単一のシリコン–ゲルマニウム（SiGe）量子ドット（QD）におけるフォノンの二次元空間マッピングを実証する。我々は、QD内とその周囲のSi光学モードの変動を追跡し、組成によって誘起される赤方偏移がナノスケールで変化するのを観測した。そして、界面近傍にのみ存在する非平衡フォノンを観測し、さらにフォノン運動量を差分マッピングする新しい手法を開発することで、拡散反射と鏡面反射の間の相互関係が、原子構造の細部に大きく依存することを示す直接的な証拠を得た。これは、この分野における大きな進展である。今回の成果によって、ナノスケールの界面における非平衡フォノンダイナミクスが明らかになり、これを用いて、実際のナノデバイスを研究し、将来の高性能ナノエレクトロニクスに不可欠なナノスケールのホットスポット近傍における熱散逸の理解を助けることができる。

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