Ky thuat dan nhiet phonon trong cau truc nano

3.KĨ THUẬT DẪN NHIỆT PHONON TRONG CÁC CẤU TRÚC NANO Sự thay đổi độ dẫn nhiệt bán dẫn giam cầm phonon tính chất ứng dụng nghành công nghiệp điện tử quan điểm tiểu hình hóa liên tục Trong bán dẫn ứng dụng công nghệ, đa số nhiệt mang phonon âm học Kích thướt đặc trưng transistor sản xuất theo công nghệ tiên tiến nằm MFP phonon nhiệt độ phòng Si, khoảng 50 nm-200 nm theo tính toán phép đo khác Trong cấu trúc dị tiếp xúc cấu trúc nano với kích thướt đặc trưng W nhỏ MFP phonon, phổ phonon âm học thay đổi mạnh rời rạc cung cấp cấu trúc đứng nhúng vật liệu có tính chất đàn hồi khác Sự thay đổi đặc biệt mạnh kích thướt đặc trưng cấu trúc nhỏ quãng đường tự trung bình ,…, tiến đến cỡ bước sóng phonon trội hơn,…… Ở kB số Boltzmann, T nhiệt độ tuyệt đối, …là số Plank, VS vận tốc sóng âm Đối với nhiều vật liệu kết tinh, … vào cỡ 1.5 – nm nhiệt độ phòng, cỡ kích thướt chiều dày điện môi cực cổng transistor Sự dẫn nhiệt mặt phẳng màng mỏng dọc theo chiều dài dây nano giảm hai lí Thứ ảnh hưởng kích thướt cổ điển đến dẫn nhiệt có liên quan đến tăng tán xạ biên thô phonon 19 Hiệu ứng bật W vào bậc MFP phonon Thậm chí quan sát mẫu dạng khối nhiệt độ đủ thấp MFP phonon dài Tán xạ biên thô phonon gọi tán xạ phonon khuếch tán trái ngược với tán xạ phonon phản chiếu từ lớp phân cách trơn tru Tán xạ biên phonon khuếch tán đóng góp vào điện trở nhiệt cấu trúc, có hại cho di chuyển nhiệt thừa điều khiển nhiệt IC Do đó, hiệu ứng kích thướt cổ điển không xem kĩ thuật phonon đưa khả điều chỉnh tính chất phonon chất lượng bề mặt phân cách Trường hợp giống cới kĩ thuật cấu trúc vùng điện tử, cấu thành nên điều chỉnh hàm sóng electron qua độ rộng độ cao giam cầm (chứ quan tán xạ biên electron) Trong trường hợp kĩ thuật phonon, sai lệch trở kháng âm học (hoặc không lên tục số đàn hồi) đóng vai trò offset lượng vùng cấm.2 Nếu kích thướt cấu trúc … , hiệu ứng lí thú xảy 10Do làm phẳng nhánh tán sắc, vận tốc nhóm phonon trung bình mật độ dẫn giảm dẫn đến tăng tán xạ phonon sai hỏng trình Umklapp 10-11 Do đó, dẫn nhiệt mặt phẳng màng mỏng thẳng đứng dây nano giảm đáng kể Như bạn thấy hình 4, giam cầm phonon âm học dẫn đến giảm độ dẫn nhiệt chí dây nano với bề mặt trơn lí tưởng.Hiệu ứng giống với thay đổi vận tốc nhóm sóng điện từ truyền ống dẫn sóng môi trường tự không biên.Vì thế, dây nano bán dẫn xem ống dẫn sóng phonon với mát tán xạ phonon sai hỏng điểm, biến dạng mạng, v.v….Cơ chế tạo hiệu ứng giam cầm phonon độ dẫn nhiệt dọc theo trục dây nano mặt phẳng màng mỏng Nó không phụ thuộc vào chế tán xạ biên thô phonon cổ điển giảm độ dẫn nhiệt (xem bảng I) Bởi tính chất phổ phonon xác định hiệu ứng giam cầm phonon, sau thiết kế cấu trúc thang nano qua việc chọn vật liệu, kích thướt hình dạng chúng Sự giảm độ dẫn nhiệt không tốt cho di chuyển nhiệt IC điện tử kích thướt nhỏ thiết bị quang điện tử tích hợp Có thời gian, người ta giả sử thay đổi phổ phonon, giống với tán xạ biên thô phonon, dẫn đến giảm độ dẫn nhiệt Gần đây, Balandin công 13-14 đề xuất nhúng cấu trúc nano vào lớp hàng rào (kẹp) cứng âm học nhanh âm học giải tình đảo ngược (xem hình 2) Trong tượng mô tả, giam cầm (mặt cắt ) bên mode phonon âm học cấu trúc với …ảnh hưởng đến vận chuyển nhiệt phonon mặt phẳng (dọc theo chiều dài) Ví dụ cho thấy kĩ thuật phonon (sự thay đổi có điều khiển phổ phonon) giảm khó khăn vấn đề di chuyển nhiệt Đến tại, thảo luận giới hạn dẫn nhiệt dọc theo chiều dài dây nano mặt phẳng màng mỏng Vai trò biên thay đổi hệ thức tán sắc phonon (phổ) và, tránh khỏi, đưa vào điện trở nhiệt dư tán xạ biên thô phonon Vận chuyển nhiệt qua bề mặt phân cách hai vật liệu (mặt cắt ngang) bị ảnh hưởng mạnh điện trở Kapitza, gọi điện trở biên nhiệt (TBR).Ý nghĩa điện trở Kapitza việc điều khiển nhiệt mạch điện tử tăng tăng số lớp bề mặt phân cách IC, việc sử dụng vật liệu khác nhau, chẳng hạn cấu trúc silic điện môi (SOI), việc gradient nhiệt lớn IC qua lớp Trong trường hợp vật liệu cấu trúc nao chẳng hạn siêu mạng chấm lượng tử (QDS), điện trở Kapitza bị vướng mạnh vào thay đổi phổ phonon tán xạ phonon.20 Trong lĩnh vực này, phát triển thực nghiệm chậm lí thuyết Nguyên nhân khó khăn việc đo dẫn nhiệt cấu trúc nano đơn Gần đây, Li cộng báo cáo kết đo dẫn nhiệt dây nano Si mặt tự đơn tinh thể với đường kính nhỏ cỡ 22 nm Các tác giả quan sát thấy giảm bậc độ lớn dẫn nhiệt dây nano thế, từ K=145 W/cmK Si khối đến K ∼ W/cmK dây nano Si T=300 K Giá trị đo phù hợp tốt với tiên đoán lí thuyết trước giá trị độ dẫn nhiệt 13 W/cmK dây nano Si 20 nm T=300 K 11 Sự tiên đoán Zou Balandin11 dựa tính toán, tính đến tán xạ biên phonon âm học thay đổi tán sắc phonon Y.Bao cộng khám phá dẫn điện nhiệt siêu mạng chấm lượng tử Ge/Si với kích thướt chấm lượng tử khác (chiều dày lớp Ge lắng tụ 12 A, 15 A 18 A) Sự dẫn nhiệt đo hàm theo nhiệt độ T từ K đến 400 K dùng phương pháp … Độ dẫn nhiệt giảm bậc độ lớn dịch chuyển vị trí peak đến nhiệt độ cao quan sát tất mẫu Sự dẫn nhiệt thay đổi dạng ….đối với nhiệt độ T 200 K (xem hình 5) 4.PHONON DEPLETION IN ACOUSTICALLY MISMATCHED NANOSTRUCTURES 4.SỰ NGHÈO PHONON TRONG CÁC CẤU TRÚC NANO KHÔNG KHỚP ÂM HỌC Sự giam cầm không gian phonon âm học cấu trúc thang nano với không khớp lớn trở kháng âm…….tại bề mặt chuyển tiếp (các biên) ảnh hưởng mạnh đến phổ phonon thay đổi tương tác electron-phonon so với khối Trong cấu trúc thế, giam cầm trạng thái electron phonon âm học tính đến tính toán tốc độ tán xạ Gần đây, Pokatilov cộng 17 chứng minh lí thuyết mật độ phonon màng mỏng dây nano nhúng vào vật liệu mềm âm học bị suy giảm, tốc độ tán xạ phonon mang bị triệt tiêu Điều sau đạt tham số cấu trúc nano (đường kính, bề mặt phân cách, mật độ khối) điều chỉnh thích hợp Zíniside> Zmatrix Hiệu ứng dùng để triệt tiêu tán xạ không đàn hồi dây nano tăng độ linh động hạt tải điện electron (xem hình 3) Nguồn gốc suy giảm phonon mô tả lớp lõi cấu trúc dị tiếp xúc không hợp âm học phân bố lại thành phần dịch chuyển (các dao động mạng), dẫn đến trường hợp có dao động mạng lớp lõi lớp kẹp mềm âm học Điều sau minh học hình 6, biểu diễn thành phần … (bản trên) ……(bản dưới) vector biên độ dao động ……như hàm theo vector sóng q tọa độ x dọc theo hướng tăng trưởng cấu trúc (qua mặt phẳng) Chú ý bề mặt thành phần dịch chuyển gần phẳng gần không bên lớp lõi dị cấu trúc biên độ dao động cao lớp kẹp Sự phụ thuộc tương tự quan sát mode phonon giam cầm khác Hiệu ứng lí thú khác, cách tiếp cận kĩ thuật phonon, hình thành dự đoán vùng đỉnh phonon (PSB) cấu trúc nano với biến điệu tuần hoàn số đàn hồi Bằng cách phát họa tương tự vật liệu độ rộng vùng cấm photon, Balandin cộng chứng tỏ sử dụng phép gần liên tục đàn hồi truyền phonon âm học bị ngăn chặn dọc theo hướng QDS ba chiều (3D) với tham số lựa chọn thích hợp Người ta chứng tỏ tham số chấm lượng tử thực (kích thướt chấm vài nano mét), đạt vùng đỉnh khoảng lượng phonon ảnh hưởng đến giá trị tensor dẫn nhiệt has been also demonstrated that for the realistic quantum dot parameters (dot size is few nanometers) it is possible to achieve a stop band in the phonon energy range that affects the value of the thermal conductivity tensor.The latter may lead to a novel way for thermal conductivity reduction and for increasing the thermoelectric figure of merit of nanostructured materials Imamura and Tamura24 theoretically studied a somewhat related effect of the acoustic phonon lensing in anisotropic crystalline slabs.Lacharmoise et al.25 have experimentally demonstrated that the low energy phonons can be strongly confined in semiconductor acoustic microcavities.The con-clusion was based on Raman scattering study of acoustic phonons confined in planar GaAs/AlAs phonon cavities The authors observed a huge increase in Raman signal in phonon cavities when the maximum of the acoustic and optical fields were tuned exactly at the same location.25 The proposed phonon lenses and phonon reflectors together with the acoustically mismatched heterostructures1217 sig-nificantly extend the phonon engineering concept and can be incorporated to the building blocks of future phonon-engineered nanodevices CÁC PHONON TRONG CÁC CẤU TRÚC NANO SINH-VÔ CƠ LAI HÓA Các tính chất phonon hệ thống sinh học sinh-vô lai hóa khác với tính chất bán dẫn truyền thống Các hệ lai hóa đặc biệt lí thú từ quan điểm kĩ thuật phonon không khớp đáng kể trở kháng âm học bề mặt phân cách vật liệu vô sinh học Các đặc trưng phổ phonon vận chuyển phonon cấu trúc sinh-vô lai hóa cung cấp thông tin có giá trị tính chất bề mặt chuyển tiếp sinh-vô Các cấu trúc nano sinh-vô lai hóa thể số tính chất có ích vận chuyển hạt tải điện Thêm vào đó, kiến thức mode phonon cấu trúc lai hóa sử dụng để điều khiển tổng hợp cấu trúc Các ví dụ lí thú cấu trúc sinh-vô vi rút thực vật chức Gần đây, vi rút gây bệnh đốm thuốc tận dụng mẫu sinh học để tổng hợp dây nano bán dẫn kim loại 26-27Chúng đề suất thành phần mạch điện tử nano lai hóa Các vi rút TMV có dạng hình trụ kích thướt thích hợp: chúng dài 300 nm, đường kính 18 nm ống dọc theo trục đường kính nm Hình biểu diễn vi ảnh kính hiển vi electron truyền qua (TEM) vi rút dạng dài 300 nm, tổ hợp đầu đến đầu TMV phủ Pt sau phản ứng hóa học, tổ hợp từ đầu đến đầu TMV phủ PT 20 phút sau phản ứng phủ Bởi virut có đường kính với bậc độ lớn bậc độ lớn tinh thể nano bán dẫn dây nano, dao động đàn hồi TMV tự thể chúng phổ tán xạ raman tần số thấp Kiến thức mode dao động tần số thấp vi rút quan trọng để thực thi phổ Raman điều khiển trình tổng hợp hóa học dựa mẫu.(xem hình 8) Fonoberov and Balandin28-30 nghiên cứu lí thuyết mode dao động tần số thấp vi rút TMV M13 sử dụng cho tự tổ hơkp điện tử nano Mode thở xuyên tâm vi rút TMV M13 không khí 1.85 cm-1 6.42 cm-1 Nếu vi rút nước, tần số trở thành 2.10 cm -1 6.12 cm-1 Hình biểu diễn tán sắc đuợc tính toán mode phonon thấp với số lượng tử chu vi m=0 vi rút TMV dùng mẫu nano Ở đây, đường liền nét (đứt) tương ứng với dao động dọc trục xuyên tâm không khí (nước), đường nét đứt tương ứng với dao động xoắn Các đường nét đứt đánh dấu vận tốc âm nước Chi tiết tính toán tìm thấy tài liệu tham khảo [28-29] ... hình 5) 4 .PHONON DEPLETION IN ACOUSTICALLY MISMATCHED NANOSTRUCTURES 4.SỰ NGHÈO PHONON TRONG CÁC CẤU TRÚC NANO KHÔNG KHỚP ÂM HỌC Sự giam cầm không gian phonon âm học cấu trúc thang nano với không... heterostructures1217 sig-nificantly extend the phonon engineering concept and can be incorporated to the building blocks of future phonon- engineered nanodevices CÁC PHONON TRONG CÁC CẤU TRÚC NANO. .. biên.Vì thế, dây nano bán dẫn xem ống dẫn sóng phonon với mát tán xạ phonon sai hỏng điểm, biến dạng mạng, v.v….Cơ chế tạo hiệu ứng giam cầm phonon độ dẫn nhiệt dọc theo trục dây nano mặt phẳng