El movimiento vibratorio de un átomo en un cristal se propaga a los átomos vecinos, lo que conduce a la propagación de las vibraciones en forma de onda en todo el cristal. La forma en que estas vibraciones naturales viajan a través de la estructura cristalina determina las propiedades fundamentales del material. Por ejemplo,Estas vibraciones determinan qué tan bien el calor y los electrones pueden atravesar el material y cómo el material interactúa con la luz.
Ahora, los investigadores han demostrado que intercambiando solo una pequeña fracción de los átomos de un material con átomos de un elemento diferente, pueden controlar la velocidad y las frecuencias de estas vibraciones. Esta demostración, publicada en letras de física aplicada , por AIP Publishing, proporciona una forma potencialmente más simple y económica de ajustar las propiedades de un material, permitiendo una amplia gama de dispositivos nuevos y más eficientes, como la iluminación de estado sólido y la electrónica.
Las vibraciones naturales de un material cristalino viajan como partículas llamadas fonones. Estos fonones transportan calor, dispersan electrones y afectan las interacciones de los electrones con la luz. Anteriormente, los investigadores controlaban los fonones dividiendo el material en piezas más pequeñas cuyos límites pueden dispersar los fonones,limitar su movimiento. Más recientemente, los investigadores han diseñado estructuras de nanoescala, como nanocables, en el material para manipular la velocidad y las frecuencias de los fonones.
Un equipo de investigadores de la Universidad de California, Riverside y la Universidad de California, San Diego ahora descubrió que al dopar, al introducir diferentes elementos en el material, puede controlar los fonones. Los investigadores doparon el óxido de aluminio con neodimio,que reemplaza algunos de los átomos de aluminio. Debido a que el neodimio es más grande y más masivo que el aluminio, altera las propiedades vibratorias del material, cambiando la forma en que los fonones pueden viajar.
"Introduce distorsión en la red, que persiste a lo largo de una gran distancia en comparación con el tamaño atómico, y afecta a todo el espectro vibratorio", dijo Alexander Balandin, de la Universidad de California, Riverside.
Utilizando un nuevo método para producir cristales dopados de manera uniforme y nuevos instrumentos sensibles para medir el espectro de fonones, los investigadores demostraron, por primera vez, que incluso un pequeño número de ciertos dopantes puede tener un gran impacto ". Este enfoque proporciona un nuevoforma de sintonizar el espectro vibratorio de los materiales ", dijo Balandin.
Anteriormente, los investigadores asumieron que cualquier efecto significativo sobre los fonones requeriría una concentración muy alta de dopantes. Pero, el equipo descubrió que el óxido de aluminio dopado con una densidad de neodimio de solo 0.1 por ciento era suficiente para reducir la frecuencia de fonones en unos pocos gigahercios yla velocidad en 600 metros por segundo.
Aumentar la velocidad de los fonones aumenta la conductividad térmica de un material, permitiendo que los pequeños transistores se enfríen más rápido. Disminuir los fonones, por otro lado, sería útil para crear dispositivos termoeléctricos más eficientes, que convierten la electricidad en calor y viceversa. Además, en dispositivos ópticoscomo los diodos emisores de luz, la desaceleración de los fonones y la supresión de las interacciones de los fonones con los electrones significaría que se usa más energía para producir fotones luz y se pierde menos en forma de calor.
Los investigadores ahora están aplicando su estrategia a otros dopantes y materiales, como el arseniuro de galio, con miras al desarrollo de dispositivos de eficiencia energética, dijo Balandin.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Americano de Física . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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