RU2425793C1 - Nano composite built around phonon resonator and method of its production - Google Patents
Nano composite built around phonon resonator and method of its production Download PDFInfo
- Publication number
- RU2425793C1 RU2425793C1 RU2010101258/28A RU2010101258A RU2425793C1 RU 2425793 C1 RU2425793 C1 RU 2425793C1 RU 2010101258/28 A RU2010101258/28 A RU 2010101258/28A RU 2010101258 A RU2010101258 A RU 2010101258A RU 2425793 C1 RU2425793 C1 RU 2425793C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrically conductive
- crystallite
- phonon
- shell
- crystallites
- Prior art date
Links
Landscapes
- Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области наноразмерных и наноструктурированных материалов, а именно к области новых материалов и сплавов со специальными свойствами для применения в микро- и наноэлектронике, в частности к композитным материалам, в которых использовано усиление электрон-фононного взаимодействия в конденсированных средах и, как следствие, усиление электрических, тепловых и оптических свойств композитных материалов, а также изделий и устройств, созданных на их основе.The invention relates to the field of nanoscale and nanostructured materials, in particular to the field of new materials and alloys with special properties for use in micro- and nanoelectronics, in particular to composite materials in which amplification of electron-phonon interaction in condensed media is used and, as a result, strengthening the electrical, thermal and optical properties of composite materials, as well as products and devices created on their basis.
Известен нанокомпозит и способ его получения [Кравченко Т.А. и др. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОКОМПОЗИТА. Патент РФ №2355471 (20.05.2009), B01J 39/08, В82В 3/00], заключающийся в осаждении меди в неэлектронопроводящий ионообменник с формированием равномерно распределенных по объему пор гранулы ионообменника наноструктурных частиц металла. Недостатками нанокомпозита и способа его получения являются непериодичность самих пор в гранулах ионообменника и самих гранул и, как следствие, непериодичность наноструктурных частиц металла, а также неэлектронопроводность материала ионообменника, что не позволяет использовать наночастицы в качестве фононных резонаторов и для получения нанокомпозита на их основе.Known nanocomposite and method for its production [T. Kravchenko et al. METHOD FOR PRODUCING A NANOCOMPOSITE. RF patent No. 2355471 (05.20.2009), B01J 39/08, B82B 3/00], which consists in the deposition of copper in a non-conductive ion exchanger with the formation of granules of nanostructured metal particles uniformly distributed over the pore volume of the ion exchanger. The disadvantages of the nanocomposite and the method for its preparation are the non-periodicity of the pores themselves in the granules of the ion exchanger and the granules themselves and, as a consequence, the non-periodicity of the nanostructured metal particles, as well as the nonelectronic conductivity of the ion exchanger material, which does not allow the use of nanoparticles as phonon resonators and to obtain a nanocomposite based on them.
Известен нанокомпозит [Birnboim at al. NONLINEAR OPTICAL MATERIALS. US Patent 5023139 (11.06.1991), B23B 9/00] и способ его получения, содержащий распределенные в диэлектрическом материале наночастицы, выполненные в виде металлического ядра с оболочкой из диэлектрического материала или в виде диэлектрического ядра с оболочкой из металла, и представляющий нелинейный оптический материал. Недостатками нанокомпозита и способа его получения являются неэлектропроводность нанокомпозита, непериодичность наночастиц и невозможность образования стоячих резонансных фононных волн в таких наночастицах, что также не позволяет их использовать в качестве фононных резонаторов и для получения нанокомпозита на их основе.Known nanocomposite [Birnboim at al. NONLINEAR OPTICAL MATERIALS. US Patent 5023139 (06/11/1991), B23B 9/00] and a method for producing it, comprising nanoparticles distributed in a dielectric material, made in the form of a metal core with a shell of a dielectric material or in the form of a dielectric core with a shell of a metal, and representing a nonlinear optical material. The disadvantages of the nanocomposite and the method for its preparation are the non-conductivity of the nanocomposite, the non-periodicity of the nanoparticles and the impossibility of the formation of standing resonant phonon waves in such nanoparticles, which also does not allow them to be used as phonon resonators and to obtain a nanocomposite based on them.
Известен фононный резонатор и способ его получения [T.G.Brown. PHONON RESONATOR AND METHOD FOR ITS PRODUCTION. US Patent 5917195 (21.06.1999), H01L 29/15], описывающий сверхрешетку из чередующихся слоев, обогащенных различными изотопами кремния, с периодически меняющейся плотностью, которая играет роль резонатора для фононов, участвующих в электрон-фононном взаимодействии. В частности, в таком фононном резонаторе резонансным образом усиливаются фононы с волновыми векторами, соответствующими межзонным переходам, а также переходам между различными вырожденными участками зоны проводимости. Недостатками такого фононного резонатора и способа его получения являются малый эффект резонансного усиления из-за разницы масс изотопов чередующихся слоев (от 3 до 6%), одномерность структуры чередующихся слоев и сложность их приготовления, а также ограниченность выбора полупроводника кремния в качестве основного элемента структуры.Known phonon resonator and method for its production [T.G. Brown. PHONON RESONATOR AND METHOD FOR ITS PRODUCTION. US Patent 5917195 (06/21/1999), H01L 29/15], which describes a superlattice of alternating layers enriched in various silicon isotopes with periodically varying density, which plays the role of a resonator for phonons participating in electron-phonon interaction. In particular, in such a phonon resonator, phonons with wave vectors corresponding to interband transitions, as well as transitions between different degenerate portions of the conduction band, are amplified in a resonant manner. The disadvantages of such a phonon resonator and its production method are the small effect of resonant amplification due to the difference in the mass of isotopes of alternating layers (from 3 to 6%), the uniformity of the structure of alternating layers and the complexity of their preparation, as well as the limited choice of silicon semiconductor as the main structural element.
Технический результат данного изобретения заключается в увеличении эффекта резонансного усиления электрон-фононного взаимодействия, расширении спектра усиливаемых фононов и переходе к трехмерной структуре путем создания нового нанокомпозита, который мог бы быть охарактеризован наличием фононных резонаторов в своем составе при широком варьировании конечных свойств композита. Переход к трехмерной наноструктуре позволяет получить конечное число гармонических мод колебаний. При этом спектр колебаний становится дискретным, а отдельные моды колебаний не взаимодействуют друг с другом, что значительно усиливает все фонономодулированные процессы в нанокомпозите.The technical result of this invention is to increase the effect of resonant amplification of electron-phonon interaction, expand the spectrum of amplified phonons and switch to a three-dimensional structure by creating a new nanocomposite, which could be characterized by the presence of phonon resonators in its composition with a wide variation in the final properties of the composite. The transition to a three-dimensional nanostructure makes it possible to obtain a finite number of harmonic vibration modes. In this case, the vibration spectrum becomes discrete, and individual vibration modes do not interact with each other, which significantly enhances all phonon-modulated processes in the nanocomposite.
Технический результат данного изобретения заключается также в упрощении процесса получения фононных резонаторов и образования нанокомпозита на их основе.The technical result of this invention is also to simplify the process of obtaining phonon resonators and the formation of nanocomposites based on them.
Технический результат достигается тем, что предложен нанокомпозит на основе фононных резонаторов, характеризующийся тем, что он включает фононные резонаторы, выполненные из электропроводящего материала в виде кристаллитов с размерами в интервале от 3 до 20 нанометров, поверхность которых покрыта оболочкой в виде слоя другого электропроводящего материала с атомной (молекулярной) массой, большей атомной (молекулярной) массы материала кристаллита, при этом толщина слоя не превышает радиуса кристаллита и выполняется условие 1/hF<<πΔМ/(λFM), где hF - длина пробега фононов в кристаллите, ΔM - разница атомных (молекулярных) масс материала оболочки и материала кристаллита, λF - длина волны фонона, М - атомная (молекулярная) масса материала кристаллита, причем расстояние между кристаллитами, покрытыми оболочкой, выбрано такое, чтобы обеспечить электропроводность объемного нанокомпозита.The technical result is achieved by the fact that a nanocomposite based on phonon resonators is proposed, characterized in that it includes phonon resonators made of an electrically conductive material in the form of crystallites with sizes ranging from 3 to 20 nanometers, the surface of which is coated in the form of a layer of another electrically conductive material with atomic (molecular) mass greater than the atomic (molecular) mass of the crystallite material, while the layer thickness does not exceed the crystallite radius and the condition 1 / h F << πΔМ / (λ F M), g de h F is the phonon mean free path in the crystallite, ΔM is the difference in the atomic (molecular) masses of the shell material and crystallite material, λ F is the phonon wavelength, M is the atomic (molecular) mass of the crystallite material, and the distance between the crystallites coated with the shell is selected such as to ensure the electrical conductivity of the bulk nanocomposite.
При этом в качестве кристаллитов электропроводящего материала использованы кристаллиты, по крайней мере, одного из металлов группы: Al, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, сплава или полупроводника, а в качестве электропроводящего материала оболочки использован, по крайней мере, один из металлов группы: Pb, Sn, Ag, Au, Pt, W, In, Cs, Ba, Hf, Та, Re, Os, Ir, Tl, La, Ce, Sm, сплав, полупроводник или проводящий органический материал, причем для электропроводящего материала оболочки величина отношения ΔМ/М предпочтительно удовлетворяет неравенству ΔМ/М>1 или неравенству 1<ΔМ/М<2.In this case, crystallites of at least one of the metals of the group: Al, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, an alloy or a semiconductor are used as crystallites of an electrically conductive material, and at least at least one is used as an electrically conductive material , one of the metals of the group: Pb, Sn, Ag, Au, Pt, W, In, Cs, Ba, Hf, Ta, Re, Os, Ir, Tl, La, Ce, Sm, alloy, semiconductor or conductive organic material, moreover, for the conductive material of the shell, the ratio ΔM / M preferably satisfies the inequality ΔM / M> 1 or the inequality 1 <ΔM / M <2.
Технический результат достигается также тем, что предложен способ получения нанокомпозита на основе фононных резонаторов, заключающийся в том, что получают нанопорошок из электропроводящего материала, отбирают наночастицы кристаллитов электропроводящего материала с размерами в интервале от 3 до 20 нанометров, поверхность каждой из отобранных наночастиц кристаллита электропроводящего материала покрывают оболочкой в виде слоя другого электропроводящего материала с атомной (молекулярной) массой, большей атомной (молекулярной) массы материала кристаллита, и с толщиной слоя, не превышающей радиуса кристаллита, причем выполняется условие 1/hF<<πΔМ/(λFM), где hF - длина пробега фононов в кристаллите, ΔM - разница атомных (молекулярных) масс материала оболочки и материала кристаллита, λF - длина волны фонона, М - атомная (молекулярная) масса материала кристаллита, и уплотняют полученный порошок покрытых оболочкой наночастиц под давлением или спеканием до образования проводящего объемного нанокомпозита.The technical result is also achieved by the fact that a method for producing a nanocomposite based on phonon resonators is proposed, which consists in obtaining nanopowder from an electrically conductive material, nanoparticles of crystallites of an electrically conductive material with sizes ranging from 3 to 20 nanometers are selected, the surface of each of the selected nanoparticles of a crystallite of an electrically conductive material cover with a shell in the form of a layer of another electrically conductive material with an atomic (molecular) mass greater than the atomic (molecular) mass of terial crystallite, and with a layer thickness not exceeding the radius of the crystallite, and the condition 1 / h F << πΔМ / (λ F M) is satisfied, where h F is the mean free path of phonons in the crystallite, ΔM is the difference in atomic (molecular) masses of the shell material and crystallite material, λ F is the phonon wavelength, M is the atomic (molecular) mass of the crystallite material, and the resulting powder is compacted by coating nanoparticle shells under pressure or sintering to form a conductive bulk nanocomposite.
При этом в качестве кристаллитов электропроводящего материала используют кристаллиты, по крайней мере, одного из металлов группы: Al, V, Cr, Fe, Со, Ni, Cu, Zn, сплава или полупроводника, а в качестве электропроводящего материала оболочки используют, по крайней мере, один из металлов группы: Pb, Sn, Ag, Au, Pt, W, In, Cs, Ba, Hf, Та, Re, Os, Ir, Tl, La, Ce, Sm, сплав, полупроводник или проводящий органический материал, причем для электропроводящего материала оболочки величина отношения ΔМ/М предпочтительно удовлетворяет неравенству ΔМ/М>1 или неравенству 1<ΔМ/М<2.At the same time, crystallites of at least one of the metals of the group: Al, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, an alloy or a semiconductor are used as crystallites of an electrically conductive material, and at least at least one is used as an electrically conductive material , one of the metals of the group: Pb, Sn, Ag, Au, Pt, W, In, Cs, Ba, Hf, Ta, Re, Os, Ir, Tl, La, Ce, Sm, alloy, semiconductor or conductive organic material, moreover, for the conductive material of the shell, the ratio ΔM / M preferably satisfies the inequality ΔM / M> 1 or the inequality 1 <ΔM / M <2.
Достижение нового технического результата стало возможным благодаря тому, что в качестве основного элемента структуры композита предлагается использовать наноразмерные кристаллиты различных химических элементов, покрытые нанооболочками из химических элементов с большим атомным весом, чем у основного элемента. Вид химических элементов, размеры нанокристаллов, толщины оболочек, плотности материалов кристаллитов и оболочек подбираются так, чтобы обеспечить усиление электрон-фононного взаимодействия в нужном диапазоне волновых векторов, соответствующих наиболее благоприятным модам электрон-фононного взаимодействия, определяющим электрические, и/или тепловые, и/или оптические свойства композитного материала.The achievement of a new technical result became possible due to the fact that it is proposed to use nanosized crystallites of various chemical elements coated with nano-shells of chemical elements with a higher atomic weight as the main element of the composite structure. The type of chemical elements, nanocrystal sizes, shell thicknesses, crystallite and shell material densities are selected in such a way as to enhance the electron-phonon interaction in the desired range of wave vectors corresponding to the most favorable electron-phonon interaction modes that determine electrical and / or thermal, and / or optical properties of the composite material.
Сущность заявленного нанокомпозита на основе фононных резонаторов и способа его получения поясняется прилагаемым чертежом.The essence of the claimed nanocomposite based on phonon resonators and the method for its preparation is illustrated by the attached drawing.
На чертеже показана электродинамическая модель фононного резонатора: а - вид сверху, б - вид спереди; 1 - монтажная проводящая пластина, 2 - четвертьволновые резонаторы двумерной системы, 3 - периферийные проводящие стержни в двумерной системе.The drawing shows an electrodynamic model of a phonon resonator: a - top view, b - front view; 1 - mounting conductive plate, 2 - quarter-wave resonators of a two-dimensional system, 3 - peripheral conductive rods in a two-dimensional system.
Возможность осуществления заявленного нанокомпозита на основе фононных резонаторов и способа его получения подтверждается следующими пояснениями и примером.The possibility of implementing the claimed nanocomposite based on phonon resonators and a method for its preparation is confirmed by the following explanations and example.
Единственной модой высокочастотных фононных колебаний, которые могут быть получены в металлических устройствах, изготовленных с использованием традиционных технологических процессов производства, является мода бегущих волн. В этих условиях любое возмущение в точке внутри кристалла будет распространяться с рассеиванием во всех направлениях от этой точки и никогда не вернется. В режиме рассеивающейся бегущей волны поля фононных колебаний являются случайными. Мы будем рассматривать возможность замены режима бегущих рассеивающихся волн режимом стоячих волн резонансных колебаний. Эта замена приводит к определенным изменениям в характере взаимодействия между электронами проводимости и решеткой. В частности, это взаимодействие происходит на дискретных частотах, соответствующих резонансным частотам фононных мод. Электроны проводимости взаимодействуют с почти согласованными (гармоническими) полями, а не случайными полями, т.е. происходит так называемое согласование («гармонизация») полей фононных колебаний.The only mode of high-frequency phonon vibrations that can be obtained in metal devices made using traditional manufacturing processes is the traveling wave mode. Under these conditions, any perturbation at a point inside the crystal will propagate with scattering in all directions from this point and will never return. In the regime of a scattering traveling wave, the fields of phonon vibrations are random. We will consider the possibility of replacing the regime of traveling scattering waves by the regime of standing waves of resonant oscillations. This replacement leads to certain changes in the nature of the interaction between conduction electrons and the lattice. In particular, this interaction occurs at discrete frequencies corresponding to the resonant frequencies of the phonon modes. Conduction electrons interact with almost consistent (harmonic) fields, rather than random fields, i.e. the so-called matching (“harmonization”) of the phonon oscillation fields occurs.
Стоячие фононные волны могут быть возбуждены в проводнике при выполнении, по крайней мере, двух условий. Первое - это отсутствие перекрытия между соседними модами.Standing phonon waves can be excited in a conductor if at least two conditions are met. The first is the lack of overlap between adjacent modes.
Переход к трехмерной наноструктуре с конечным числом атомов позволяет получить конечное число гармонических мод колебаний. При этом спектр колебаний становится дискретным, а отдельные моды колебаний не взаимодействуют друг с другом, что значительно усиливает все фонономодулированные процессы в кристалле.The transition to a three-dimensional nanostructure with a finite number of atoms allows us to obtain a finite number of harmonic vibration modes. In this case, the vibration spectrum becomes discrete, and individual vibration modes do not interact with each other, which significantly enhances all phonon-modulated processes in the crystal.
С уменьшением размера кристаллитов количество образующих его атомов уменьшается пропорционально кубу линейного размера. С уменьшением числа атомов в кристаллите число мод колебаний кристаллической решетки также уменьшается. Нанокристалл размером 2-3 нм состоит из N~100-150 атомов. Полное число мод колебаний решетки такого кристаллита 3N=300-450.With a decrease in the crystallite size, the number of atoms forming it decreases in proportion to the linear-size cube. With a decrease in the number of atoms in a crystallite, the number of vibrational modes of the crystal lattice also decreases. A nanocrystal 2-3 nm in size consists of N ~ 100-150 atoms. The total number of lattice vibrational modes of such a crystallite is 3N = 300–450.
При таком малом числе колебательные моды являются изолированными относительно друг друга и не взаимодействуют между собой. В таком случае спектр колебаний отдельных нанокристаллов является полностью гармоническим и такой композит, например, не будет подвержен тепловому расширению (т.к. ангармонизм колебаний отсутствует).With such a small number, the vibrational modes are isolated relative to each other and do not interact with each other. In this case, the vibrational spectrum of individual nanocrystals is completely harmonic and such a composite, for example, will not be subject to thermal expansion (since there is no anharmonicity of vibrations).
Вторым условием является обеспечение объединения фононных колебаний в кристаллите. С этой точки зрения интерес представляют композиты из нанокристаллитов, внешняя поверхность каждого из которых покрыта тонкой (в несколько атомных слоев) оболочкой элемента с более высоким атомным весом для отражения звуковой волны от поверхности нанокристаллита. Если нанокристаллит изолирован, то энергия фононных колебаний не будет излучаться в окружающее пространство. Это требование может быть удовлетворено, если поверхность кристаллита защищена экраном, который отражает обратно в кристаллит все волны падающих фононов. Такой нанокристаллит с экранированной поверхностью называют «фононным резонатором». В устройстве из фононных резонаторов связь мод от соседних полостей либо полностью устранена, или сильно подавлена экранами. Такой «упакованный» нанокристаллит получил название «фононный резонатор» из-за того, что в нем могут поддерживаться резонансные колебания в диапазоне частот между предельной частотой колебаний решетки нанокристаллита и предельной частотой колебаний атомов оболочки. Внутри нанокристаллита будет образовываться стоячая волна на резонансных частотах. Резонансные колебания, как известно, чрезвычайно усиливаются на фоне других частот, поэтому все фонономодулированные процессы на частотах, попадающих в резонансную область конкретных фононных резонаторов, будут резонансным образом усилены, что подтверждает возможность усиления эффекта резонансного электрон-фононного взаимодействия и достижение заявленного технического результата.The second condition is to ensure the unification of phonon vibrations in the crystallite. From this point of view, nanocrystallite composites are of interest, the outer surface of each of which is covered with a thin (several atomic layers) shell of an element with a higher atomic weight to reflect the sound wave from the nanocrystallite surface. If nanocrystallite is isolated, then the energy of phonon vibrations will not be radiated into the surrounding space. This requirement can be satisfied if the crystallite surface is protected by a screen that reflects back all the waves of incident phonons back to the crystallite. Such a nanocrystallite with a shielded surface is called a “phonon resonator”. In a device made of phonon resonators, the coupling of modes from neighboring cavities is either completely eliminated or is strongly suppressed by screens. Such a “packed” nanocrystallite is called a “phonon resonator” because it can support resonant oscillations in the frequency range between the limiting vibrational frequency of the nanocrystalline lattice and the limiting vibrational frequency of shell atoms. A standing wave at resonant frequencies will form inside the nanocrystallite. As is known, resonance oscillations are extremely amplified against the background of other frequencies; therefore, all phononodulated processes at frequencies falling into the resonance region of specific phonon resonators will be resonantly amplified, which confirms the possibility of enhancing the effect of resonant electron-phonon interaction and achieving the claimed technical result.
Структура нанокомпозита в настоящем изобретении будет выполнять функцию эффективного резонатора в случае, если средняя длина пробега фонона hF достаточно велика так, что фонон слабо рассеивается внутри нанокристаллитов. Т.е. если выполняется условие: 1/hF<<kF=πΔМ/(λFM), где kF - коэффициент связи между фононами, падающими и отраженными от экрана-оболочки, ΔM - разница атомных (молекулярных) масс материала оболочки и материала кристаллита, λF - длина волны фонона, М - атомная (молекулярная) масса материала кристаллита. Если это соотношение не выполняется, то фонон испытает рассеяние раньше, чем происходит Брегговское отражение от экрана-оболочки.The structure of the nanocomposite in the present invention will serve as an effective resonator if the average phonon mean free path h F is large enough so that the phonon is weakly scattered inside the nanocrystallites. Those. if the condition is fulfilled: 1 / h F << k F = πΔМ / (λ F M), where k F is the coupling coefficient between phonons incident and reflected from the shell screen, ΔM is the difference between the atomic (molecular) masses of the shell material and the material crystallite, λ F is the phonon wavelength, M is the atomic (molecular) mass of the crystallite material. If this relation is not satisfied, then the phonon will experience scattering before Bragg reflection from the shell screen occurs.
Выбор величин М и ΔM обусловлен сложными процессами распространения и рассеяния фононов в нанокомпозите, а также их взаимодействием с электронной подсистемой. Отношение ΔМ/М определяет долю фононов, испытавших отражение от экрана. При этом (1-ΔМ/М) фононов покинет нанокристаллит, не испытав отражения, и попадет в следующие нанокристаллиты по ходу своего распространения. Т.е. величина ΔМ/М регулирует соотношение между количеством мод стоячих и бегущих волн.The choice of the quantities M and ΔM is due to the complex processes of propagation and scattering of phonons in the nanocomposite, as well as their interaction with the electronic subsystem. The ratio ΔM / M determines the proportion of phonons that have experienced reflection from the screen. In this case, (1-ΔM / M) phonons will leave the nanocrystallite without having experienced reflection, and will fall into the following nanocrystallites in the course of their propagation. Those. the value ΔM / M controls the ratio between the number of modes of standing and traveling waves.
Режим 0≤ΔМ/М≤1 характеризуется вовлеченностью как бегущих, так и стоячих волн в процессы фононного обмена. Данный случай при весьма малых ΔМ/М~3-6% рассмотрен в [T.G.Brown. PHONON RESONATOR AND METHOD FOR ITS PRODUCTION. US Patent 5917195 (21.06.1999), H01L 29/15]. Случай малых ΔМ/М характеризуется относительно малым отражением на экранах, что ведет к малому усилению резонансных мод в отдельных нанокристаллитах. В случае ΔМ/М>1 осуществляется режим стоячих волн, при котором происходит усиление фононов в отдельных нанокристаллитах за счет резонанса между падающей и отраженной волнами. При этом доля фононов, проходящая в следующий кристаллит без отражения, также разбивается на стоячие и бегущие моды и т.д., создавая по пути своего следования стоячие резонансные моды в соседних кристаллитах до полного поглощения первоначальной волны в нанокомпозите. Однако при больших значениях ΔМ/М и, соответственно, большем отражении от экранов-оболочек стоячие волны присутствует только в самих нанокристаллитах, при этом в целом в композите глобальное усиление стоячих волн отсутствует. Тем не менее, при достаточно тонких экранах-оболочках электроны, связанные фононным обменом, могут квантовым образом туннелировать между соседними кристаллитами, обеспечивая глобальную фазовую когерентность во всем нанокомпозите, как это имеет место в гранулярных сверхпроводниках.The mode 0≤ΔM / M≤1 is characterized by the involvement of both traveling and standing waves in the phonon exchange processes. This case with very small ΔM / M ~ 3-6% was considered in [T.G. Brown. PHONON RESONATOR AND METHOD FOR ITS PRODUCTION. US Patent 5,917,195 (06/21/1999), H01L 29/15]. The case of small ΔM / M is characterized by a relatively small reflection on the screens, which leads to a small amplification of the resonance modes in individual nanocrystallites. In the case ΔM / M> 1, the standing wave mode is realized, in which the phonons are amplified in individual nanocrystallites due to the resonance between the incident and reflected waves. In this case, the fraction of phonons passing into the next crystallite without reflection also splits into standing and traveling modes, etc., creating standing resonant modes in neighboring crystallites along the path to their complete absorption in the nanocomposite. However, at large ΔM / M values and, correspondingly, greater reflection from the shell screens, standing waves are present only in the nanocrystallites themselves, and in general, there is no global gain in standing waves in the composite. Nevertheless, with sufficiently thin shell screens, electrons bound by phonon exchange can tunnel in a quantum manner between neighboring crystallites, providing global phase coherence in the entire nanocomposite, as is the case in granular superconductors.
Таким образом, оптимальным является режим, при котором наблюдается усиление фононов, т.е. при ΔМ/М>1 или, предпочтительно, когда 1<ΔМ/М<2.Thus, the optimal mode is when phonon amplification is observed, i.e. when ΔM / M> 1 or, preferably, when 1 <ΔM / M <2.
При этом становится принципиально важным обеспечить толщины оболочек-экранов на уровне в несколько атомных слоев, чтобы доля фононов, проходящая в следующий кристаллит без отражения, незначительно уменьшалась за счет процессов поглощения или рассеяния волн в материале оболочки. Это достигается при выполнении условия о толщине слоя оболочки, не превышающей радиуса кристаллита, причем расстояние между кристаллитами, покрытыми оболочкой, выбрано такое, чтобы обеспечить электропроводность объемного нанокомпозита, т.е. возможность распространения фононов во всех направлениях для обеспечения глобального усиления стоячих волн в нанокомпозите.In this case, it becomes fundamentally important to ensure the thickness of the shells of screens at the level of several atomic layers so that the fraction of phonons passing into the next crystallite without reflection slightly decreases due to the processes of absorption or scattering of waves in the shell material. This is achieved if the condition on the shell layer thickness not exceeding the crystallite radius is satisfied, and the distance between the crystallites coated with the shell is chosen so as to ensure the electrical conductivity of the bulk nanocomposite, i.e. the possibility of phonon propagation in all directions to ensure global amplification of standing waves in a nanocomposite.
ПримерExample
Поиски подходящего материала для оболочки фононного резонатора можно производить различными способами. Мы решили ограничиться электродинамическим моделированием процессов в фононном резонаторе. Для этой цели кристалл фононного резонатора представляют в виде двумерного набора связанных четвертьволновых резонаторов 2, смонтированных на проводящей пластине 1, каждый из которых моделирует поведение атома в кристаллической решетке (см. чертеж). Этот набор резонаторов окружают по периферии проводящими стержнями 3 для предотвращения потерь электромагнитного излучения. Каждый стержень 3 имеет длину, в 1,5 раз большую, чем резонатор 2. На микроуровне эти стержни будут аналогом атомов экрана-оболочки с массой, большей, чем масса атомов нанокристалла. Если используется медный нанокристалл фононного резонатора, то более дюжины металлов могут быть использованы в качестве оболочки-экрана. Этот список включает как обычные металлы, широко использующиеся в промышленности, такие как: свинец, олово, серебро, золото, платина, вольфрам, индий. Можно также использовать и менее распространенные металлы, такие как: цезий, барий, гафний, тантал, рений, осмий, иридий, таллий, лантан, церий и самарий. При выборе материала экрана следующие факторы могут оказаться важными: технологичность, совместимость процесса формирования экрана-оболочки поверх нанокристаллита с дальнейшими технологическими процессами создания приборов на базе фононных резонаторов, достижимость требуемой прочности материалов, экологический аспект и др.The search for a suitable material for the phonon cavity shell can be carried out in various ways. We decided to confine ourselves to electrodynamic modeling of processes in the phonon resonator. For this purpose, a phonon resonator crystal is represented as a two-dimensional set of coupled quarter-wave resonators 2 mounted on a conductive plate 1, each of which models the behavior of an atom in a crystal lattice (see drawing). This set of resonators is surrounded around the periphery by conductive rods 3 to prevent loss of electromagnetic radiation. Each rod 3 has a length 1.5 times greater than resonator 2. At the micro level, these rods will be analogous to the atoms of the shield-shell with a mass greater than the mass of atoms of the nanocrystal. If a copper nanocrystal of a phonon resonator is used, then more than a dozen metals can be used as a shield shell. This list includes, as ordinary metals, widely used in industry, such as: lead, tin, silver, gold, platinum, tungsten, indium. Less common metals can also be used, such as: cesium, barium, hafnium, tantalum, rhenium, osmium, iridium, thallium, lanthanum, cerium and samarium. When choosing a screen material, the following factors may be important: manufacturability, compatibility of the process of forming a screen-shell on top of nanocrystallite with further technological processes for creating devices based on phonon resonators, attainability of the required strength of materials, environmental aspect, etc.
Электродинамическое моделирование показало также, что дефекты в форме вакансий (т.е. отсутствие одного или нескольких чередующихся атомов) или смещение атома из узла решетки в междоузельное положение почти не влияют на взаимодействие фононных мод соседних резонаторов. Это благоприятно для возможных практических применений фононных резонаторов.Electrodynamic modeling also showed that defects in the form of vacancies (i.e., the absence of one or more alternating atoms) or the displacement of an atom from the lattice site to the interstitial position almost do not affect the interaction of the phonon modes of neighboring resonators. This is favorable for possible practical applications of phonon resonators.
Верхняя граничная частота фононного резонатора определяется массой атомов кристаллической решетки, тогда как нижняя граничная частота зависит от массы атомов экрана-оболочки. Экран является прозрачным для частот в диапазоне между нижней и верхней граничной частотами колебаний атомов экрана. Следовательно, стоячие волны не могут возбуждаться в фононном резонаторе в этом диапазоне частот. Стоячие волны могут возбуждаться в нанокристаллах в диапазоне частот с шириной, зависящей от отношения атомных масс составляющих атомов кристаллической решетки и экрана.The upper cutoff frequency of the phonon resonator is determined by the mass of atoms of the crystal lattice, while the lower cutoff frequency depends on the mass of atoms of the shield-shell. The screen is transparent to frequencies in the range between the lower and upper boundary frequencies of vibrations of the atoms of the screen. Therefore, standing waves cannot be excited in the phonon cavity in this frequency range. Standing waves can be excited in nanocrystals in the frequency range with a width depending on the ratio of the atomic masses of the constituent atoms of the crystal lattice and the screen.
Дисперсионные спектры фононных мод в меди и свинце приведены в [B.N.Brockhouse et al. // Phys. Rev. 1962, v.128, №3, p.1099-1111. G.Nilsson, S.Rolandson // Phys. Rev. 1973, v.B7, №6, p.619-632. E.C.Svesson et al. // Phys. Rev. 1967, v.155, №.3, p.619-632].The dispersion spectra of phonon modes in copper and lead are given in [B.N. Brockhouse et al. // Phys. Rev. 1962, v. 128, No. 3, p. 1099-1111. G. Nilsson, S. Rolandson // Phys. Rev. 1973, v. B7, No. 6, p. 619-632. E. C. Swesson et al. // Phys. Rev. 1967, v.155, No. 3, p.619-632].
Верхняя граничная частота fmax составляет 7,58 ТГц и 2,18 ТГц для меди и свинца соответственно. Приблизительная начальная величина полосы частот будет равна ΔF0=fCu max-fPb max=(7,58-2,18) ТГц=5,4 ТГц.The upper cutoff frequency f max is 7.58 THz and 2.18 THz for copper and lead, respectively. The approximate initial value of the frequency band will be ΔF 0 = f Cu max -f Pb max = (7.58-2.18) THz = 5.4 THz.
Электродинамическое моделирование показало, что нанесение свинцового экрана на поверхность медного нанокристаллита вызывает сложное изменение дисперсионных спектров. Например, нижняя граничная частота fl превысит fPb max. Разница будет больше в случае более сильного сцепления (т.к. в этом случае атомы на границе раздела взаимно диффундируют) между двумя системами, одна из которых - набор трехмерных медных нанокристаллитов, а другая - трехмерный слой атомов свинца. Верхняя граничная частота fu также изменится, но незначительно, и с хорошей точностью можно считать ее равной fCu max.Electrodynamic modeling showed that the deposition of a lead screen on the surface of a copper nanocrystallite causes a complex change in the dispersion spectra. For example, the lower cutoff frequency f l will exceed f Pb max . The difference will be greater in the case of stronger adhesion (since in this case the atoms at the interface mutually diffuse) between the two systems, one of which is a set of three-dimensional copper nanocrystallites, and the other is a three-dimensional layer of lead atoms. The upper cutoff frequency f u will also change, but insignificantly, and with good accuracy it can be considered equal to f Cu max .
Таким образом, полоса частот ΔF1=fu-fl будет менее широкой, чем начальная величина ΔF0. На основе результатов электродинамического моделирования полоса частот получается в пределах 4,7-5 ТГц (вместо 5,4 ТГц). Тем не менее, полоса частот будет достаточно широкой и в первом приближении превысит полосу частот бегущей волны фононной моды в два раза, что подтверждает возможность расширения спектра усиливаемых фононов и достижение заявленного технического результата. Также следует отметить, что фононы внутри полосы частот будут более сильно влиять на свойства металла, чем фононы с частотами ниже нижней граничной частоты, поскольку имеет место резонансное усиление.Thus, the frequency band ΔF 1 = f u -f l will be less wide than the initial value ΔF 0 . Based on the results of electrodynamic modeling, the frequency band is obtained in the range of 4.7-5 THz (instead of 5.4 THz). Nevertheless, the frequency band will be quite wide and, as a first approximation, will double the frequency band of the traveling wave of the phonon mode, which confirms the possibility of expanding the spectrum of amplified phonons and achieving the claimed technical result. It should also be noted that phonons within the frequency band will more strongly affect the properties of the metal than phonons with frequencies below the lower cutoff frequency, since resonant amplification takes place.
Данный пример демонстрирует возможность использования фононных резонаторов нанометровых размеров для создания на их основе нанокомпозита.This example demonstrates the possibility of using nanometer-sized phonon resonators to create a nanocomposite based on them.
Таким образом, использование настоящего изобретения обеспечивает увеличение эффекта резонансного усиления электрон-фононного взаимодействия, расширение спектра усиливаемых фононов и переход к трехмерной структуре. Переход к трехмерной наноструктуре позволяет получить конечное число гармонических мод колебаний кристаллической решетки, уменьшающееся пропорционально кубу характерного размера. При этом спектр колебаний становится дискретным, а отдельные моды колебаний не взаимодействуют друг с другом, что значительно усиливает все фонономодулированные процессы в кристалле. Покрытие нанокристалла нанооболочкой материала с более высоким атомным весом позволяет создать фононный резонатор, все моды которого будут представлять собой стоячие волны и, соответственно, будут резонансным образом усиливаться. Создание композитов из фононных резонаторов позволяет получить перспективный функциональный материал для электроники с регулируемой структурой и свойствами.Thus, the use of the present invention provides an increase in the effect of resonant amplification of electron-phonon interaction, the expansion of the spectrum of amplified phonons and the transition to a three-dimensional structure. The transition to a three-dimensional nanostructure allows one to obtain a finite number of harmonic vibration modes of the crystal lattice, which decreases in proportion to the characteristic size cube. In this case, the vibration spectrum becomes discrete, and individual vibration modes do not interact with each other, which significantly enhances all phonon-modulated processes in the crystal. Coating a nanocrystal with a nanoshell of a material with a higher atomic weight allows you to create a phonon resonator, all of which modes will be standing waves and, accordingly, will be resonantly amplified. The creation of composites from phonon resonators allows one to obtain promising functional material for electronics with an adjustable structure and properties.
Claims (14)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010101258/28A RU2425793C1 (en) | 2010-01-19 | 2010-01-19 | Nano composite built around phonon resonator and method of its production |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010101258/28A RU2425793C1 (en) | 2010-01-19 | 2010-01-19 | Nano composite built around phonon resonator and method of its production |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2425793C1 true RU2425793C1 (en) | 2011-08-10 |
Family
ID=44754508
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010101258/28A RU2425793C1 (en) | 2010-01-19 | 2010-01-19 | Nano composite built around phonon resonator and method of its production |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2425793C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115627853A (en) * | 2022-10-14 | 2023-01-20 | 合肥工业大学 | Low-frequency wide-bandgap phononic crystal unit cell, phononic crystal plate structure and application |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5023139A (en) * | 1989-04-04 | 1991-06-11 | Research Corporation Technologies, Inc. | Nonlinear optical materials |
| US5917195A (en) * | 1995-02-17 | 1999-06-29 | B.A. Painter, Iii | Phonon resonator and method for its production |
| RU2355471C1 (en) * | 2008-03-19 | 2009-05-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" | Method of nanocomposite preparation |
-
2010
- 2010-01-19 RU RU2010101258/28A patent/RU2425793C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5023139A (en) * | 1989-04-04 | 1991-06-11 | Research Corporation Technologies, Inc. | Nonlinear optical materials |
| US5917195A (en) * | 1995-02-17 | 1999-06-29 | B.A. Painter, Iii | Phonon resonator and method for its production |
| RU2355471C1 (en) * | 2008-03-19 | 2009-05-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" | Method of nanocomposite preparation |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115627853A (en) * | 2022-10-14 | 2023-01-20 | 合肥工业大学 | Low-frequency wide-bandgap phononic crystal unit cell, phononic crystal plate structure and application |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Shanenko et al. | Size-dependent enhancement of superconductivity in Al and Sn nanowires: Shape-resonance effect | |
| Gholipur et al. | Enhanced absorption performance of carbon nanostructure based metamaterials and tuning impedance matching behavior by an external AC electric field | |
| Christopher et al. | Electron-driven photon sources for correlative electron-photon spectroscopy with electron microscopes | |
| Siegel | Nanophase materials: synthesis, structure, and properties | |
| Zhang | Bimetallic nanostructures: shape-controlled synthesis for catalysis, plasmonics, and sensing applications | |
| Zhao et al. | Tuning the crystal structure and electronic states of Ag 2 Se: Structural transitions and metallization under pressure | |
| Li et al. | Plasmon hybridization and dipolar interaction on the resonances of helix metamaterials | |
| Bansal et al. | Searching for alternative plasmonic materials for specific applications | |
| Huang et al. | Long-wavelength optical properties of a plasmonic crystal | |
| Umarbek et al. | An Investigation of the Electrophysical Properties of Composite Ceramic Materials Containing Nickel Nanoparticles | |
| Bronchy et al. | Improved low temperature sinter bonding using silver nanocube superlattices | |
| Das et al. | Analysis of electrical explosion of wire systems for the production of nanopowder | |
| RU2425793C1 (en) | Nano composite built around phonon resonator and method of its production | |
| Alsawafta et al. | Simulated optical properties of gold nanocubes and nanobars by discrete dipole approximation | |
| Zhang et al. | Plasmonic metamaterials and nanocomposites with the narrow transparency window effect in broad extinction spectra | |
| Yannopapas | Non-local optical response of two-dimensional arrays of metallic nanoparticles | |
| Fedorov et al. | Charge transfer plasmons in the arrays of nanoparticles connected by conductive linkers | |
| Abdullah et al. | Fluorescent silver nanoparticles via exploding wire technique | |
| Maji et al. | Electrical resistance in a composite of ultra-small silver nanoparticles embedded in gold nanostructures: Implications for interface-enabled functionality | |
| Choupanian et al. | The disappearance and return of nanoparticles upon low energy ion irradiation | |
| You et al. | Morphological evolution of fractal dendritic silver induced by ions walking within the diffusion layer | |
| Kluczyk et al. | Size effect in plasmon resonance of metallic nanoparticles: RPA versus COMSOL | |
| Kundu | Layer-by-Layer Assembly of Thiol-Capped Au Nanoparticles on a Water Surface and Their Deposition on H-Terminated Si (001) by the Langmuir− Blodgett Method | |
| Lei et al. | Surface specific heats of metal nanocrystals at low temperatures | |
| Suzdalev et al. | Discreteness of nanostructures and critical dimensions of nanoclusters |