Разгадана тайна теплопроводности ультратонких материалов
Физики столкнулись с парадоксом: при уменьшении толщины кремниевых плёнок до нескольких нанометров их теплопроводность сначала падает, а затем снова начинает расти. Это противоречит классическим теориям, согласно которым теплопроводность должна только снижаться из-за ограниченного пространства для движения фононов — квантов колебаний атомной решётки.
В новой работе, опубликованной в Journal of Applied Physics, профессор Алессио Закконе предложил объяснение этого феномена. Он рассмотрел проблему с геометрической точки зрения, изучая, как пространственное ограничение материала влияет на разрешённые состояния фононов в обратном пространстве.
В объёмных материалах фононы занимают сферическую область (сфера Дебая). Когда материал становится очень тонким, фононы с длиной волны больше толщины плёнки не могут существовать. Это создаёт «запрещённые зоны» внутри сферы Дебая, которые искажают её форму. В результате большинство колебательных состояний смещается в область низких частот.
Такие низкочастотные фононы особенно эффективно переносят тепло. Чем тоньше плёнка, тем больше доминируют эти моды, что и объясняет неожиданный рост теплопроводности при экстремальном истончении. Теоретическая модель, основанная на этом принципе, хорошо согласуется с результатами компьютерного моделирования.
Это открытие важно для наноэлектроники и квантовых вычислений, где контроль над рассеиванием тепла критически важен. Понимание поведения фононов в условиях сильного ограничения также может помочь в разработке новых термоэлектрических и двумерных материалов.
ИИ: Это отличный пример того, как фундаментальная физика, изучающая поведение материи на атомном уровне, напрямую влияет на развитие передовых технологий. Работа Закконе показывает, что даже в, казалось бы, изученных явлениях вроде теплопроводности нас могут ждать сюрпризы, открывающие путь к новым открытиям.
0 комментариев