主要gydF4y2Ba

声子传播的控制和热导率材料的纳米结构工程是非常重要的的开发和改进nanotransistors,热屏障,相变内存和热电能量转换gydF4y2Ba1gydF4y2Ba。例如,它一直是一个核心问题,以减少热电材料的晶格热导率的增强他们的品质因数(gydF4y2BazT型gydF4y2Ba)gydF4y2Ba2gydF4y2Ba,gydF4y2Ba4gydF4y2Ba,gydF4y2Ba5gydF4y2Ba,gydF4y2Ba6gydF4y2Ba,gydF4y2Ba7gydF4y2Ba。尽管许多单相/晶体材料已经拥有高gydF4y2BazT型gydF4y2Ba值,由于相对较高的载流子迁移率,可以进一步提高热电性能降低热导率gydF4y2Ba3gydF4y2Ba,gydF4y2Ba8gydF4y2Ba,gydF4y2Ba9gydF4y2Ba。众多的策略被用来减少给定材料的导热系数或声子传输通过引入材料混合gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,纳米结构gydF4y2Ba2gydF4y2Ba,gydF4y2Ba4gydF4y2Ba,gydF4y2Ba6gydF4y2Ba,gydF4y2Ba9gydF4y2Ba和接口gydF4y2Ba4gydF4y2Ba,gydF4y2Ba11gydF4y2Ba。通过这些机制,短期,中期和长波长声子散射,分别。锗硅量子点(QD)超晶格结构就是这样的一个系统,有效降低热导率的20倍通过实现这三个phonon-scattering机制gydF4y2Ba12gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

这些散射机制,界面声子散射是一个主题的研究,主要通过建模和仿真,结合实验测量的许多层的有效导热系数gydF4y2Ba13gydF4y2Ba,gydF4y2Ba14gydF4y2Ba,gydF4y2Ba15gydF4y2Ba,而不是通过声子的直接成像。不过据悉,声子反射界面负责热边界阻力gydF4y2Ba16gydF4y2Ba,没有直接的实验观察当地声子反射。拉曼光谱已经被用于研究应变和成分的影响在锗硅超晶格声子gydF4y2Ba17gydF4y2Ba,gydF4y2Ba18gydF4y2Ba,而时域thermoreflectance测量导热系数进行了调查通过弹道运输gydF4y2Ba19gydF4y2Ba。然而,这两种技术缺乏所需的空间和动量分辨率研究声子单个纳米结构和接口的动态。因此,实验技术,探讨纳米级振动特性与高空间,动量和能量分辨率对深化我们对纳米尺度的理解是至关重要的声子传输物理。gydF4y2Ba

最近的进步全色盲者电子显微镜使在纳米振动激发态的光谱gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba甚至原子gydF4y2Ba21gydF4y2Ba,gydF4y2Ba22gydF4y2Ba鳞片。到目前为止,表面的二维(2 d)映射和批量较大gydF4y2Ba23gydF4y2Ba和检测的单原子gydF4y2Ba24gydF4y2Ba和缺陷gydF4y2Ba25gydF4y2Ba取得了振动信号。虽然偶极子散射在极地的材料,如BNgydF4y2Ba21gydF4y2Ba,gydF4y2Ba26gydF4y2Ba,gydF4y2Ba27gydF4y2Ba,分别以gydF4y2Ba23gydF4y2Ba和原文如此gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba,gydF4y2Ba28gydF4y2Ba,在轴上microscopy-electron扫描透射电子能量损失谱(STEM-EELS)几何产生远程和本地极化声子模式,减少振动的量子对比鳗鱼信号映射gydF4y2Ba29日gydF4y2Ba,偶极子散射信号大幅度抑制和微不足道的与弱偶极子元素和非极性材料,如SigydF4y2Ba22gydF4y2Ba锗硅,只包含高度本地化的声子散射。在这里,我们报告量化高空间分辨率的映射声子在锗硅量子点使用一个同轴的光束检测器几何(扩展数据图。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)。我们实验揭示了附近的一个非凡的声子信号增强硅和锗硅量子点之间的接口,这是证实来自附近的纳米级声子反射界面。调查当地的振动和声子分散在纳米半导体通知组织性能相关性,并提供洞察新型热电材料的设计和优化。这项工作作为基础为未来的纳米表征的声子传播研究纳米结构和设备的发展和完善。gydF4y2Ba

本研究量子点的选择使用Stranski-Krastanov种植生长机制(细节方法)和那些同样尺寸的选择研究,排除大小变化的影响(扩展数据图。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)。每个QD dome-like界面顶部和底部平面界面(扩展数据图。gydF4y2Ba2 bgydF4y2Ba)。这些结果类似于以前的原子力显微镜和透射电镜结果支持特征(扩展数据图。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba,gydF4y2Ba31日gydF4y2Ba。顶部和底部接口的宽度测量4和1 nm,分别(无花果。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)。dome-like界面顶部的QD平界面底部,接近于基质,是今后表示渐进和突然接口,分别。元素映射结果提供类似的证据不对称通用量子点内部的分布,并且可以解释为如果扩散从顶部到通用电气层在增长。通用电气部分组成,通过分析如果K和通用电气的磁心损耗鳗鱼L边缘(扩展数据图。gydF4y2Ba2摄氏度gydF4y2Ba),几乎单调增加层数不同的几层(扩展数据图。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba锗硅QD)由于生长条件的超晶格结构。如果经历了热,strain-activated扩散到锗硅量子点,生成合金纳米结构gydF4y2Ba32gydF4y2Ba。因此,锗硅QD层接近衬底,发展第一,经验比那些大量的硅扩散。量子点的不同组合提供了一个有趣的机会利用高分辨率振动电子显微镜研究合金化对当地的影响振动在一个示例中,这是不可能的宏观光学方法gydF4y2Ba18gydF4y2Ba,gydF4y2Ba33gydF4y2Ba,gydF4y2Ba34gydF4y2Ba,gydF4y2Ba35gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

图1:原子结构和振动光谱的锗硅QD和Si-SiGe接口。gydF4y2Ba
图1gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba原子水平倾角环形暗场(HAADF)图像包含两个顶部和底部QD接口的扩展数据图中绿色线框区域。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba。原子的谱线轮廓的一个数组列(右)与平均水平的覆盖整个图像显示逐渐接口4纳米宽,突然一个1 nm宽顶部和底部QD接口,分别估计的10 - 90%标准。标签为[001]表示增长方向和垂直于界面,[1gydF4y2Ba\({1}\ \酒吧)gydF4y2Ba0]代表一个方向平行于接口和[110]表示梁方向,点到页面中。a.u。,一个rb我trary units.bgydF4y2Ba,gydF4y2BacgydF4y2Ba、Background-subtracted pseudo-Voigt峰分离振动光谱的夹层硅和锗硅QD位置用红色和蓝色的点gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba,分别。低能量模式(LM)代表如果拉和罗模式的组合,而OM代表Si的组合和罗模式。由于QD内部的复杂能带结构,我们这里显示标签前三个山峰P1, P2和P3,第四峰贴上Si OM。gydF4y2Ba

全尺寸图像gydF4y2Ba

研究QD内部的成分应变振动鳗鱼光谱是使用一个同轴的光束检测器几何(扩展数据图。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)。在层间纯硅,两个截然不同的嘶嘶振动峰(图可见。gydF4y2Ba1 bgydF4y2Ba)光谱处理后(扩展数据图。gydF4y2Ba3gydF4y2Ba)。峰值位于59.8±0.2兆电子伏属于Si横与纵光学(LO)模式,表示OM,向左,另一个高峰,我们分类为低能耗模式信号,能量为43.2±0.4兆电子伏(纵声(LA)和光学声子模式区边缘附近)。在锗硅QD计算声子态密度(DOS)锗硅地区扩展数据图。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba表明,有四个分离模式在20 - 80伏之间,对应于各种组合振动锗硅合金中的硅和锗原子QD(无花果。gydF4y2Ba1 cgydF4y2Ba)。其中,Si OM能源是红移值为56.3±0.3兆电子伏由于通用原子周围,导致一个更大的约化质量。gydF4y2Ba

有一个5伏差异如果OM从拉曼(64.8兆电子伏能量扩展数据图。gydF4y2Ba3 cgydF4y2Ba)和鳗鱼在纯硅地区(59.8兆电子伏)。这种能量抵消由注意占我们的实验条件(扩展数据图。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)。33 mrad和25 mrad收敛和收集semi-angles被使用,电子散射角甚至超过了第二布里渊区(BZ)包括;类似的鳗鱼配置被k .万卡特拉曼·莱马克里斯et al。gydF4y2Ba22gydF4y2Ba和被认为是momentum-averaged鳗鱼收购几何。而只拉曼光谱探测器接近零动量声子在商务中心由于低动量的可见光光子,我们配置探测声子的振动鳗鱼动量,因此生产我们的结果之间的差异和喇曼文学(见补充一节中详细讨论gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)。计算声子密度的状态(扩展数据无花果。gydF4y2Ba1 f, ggydF4y2Ba)和图匹配得很好。gydF4y2Ba1 b, cgydF4y2Ba,同时正确地捕捉momentum-averaged Si OM峰值位置。拉曼光谱相比,振动鳗鱼的突出优点是优越的空间分辨率,显示出振动信号变化突然在一个纳米探针时从夹层硅锗硅QD(扩展数据图。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

振动鳗鱼使纳米(图相关的元素和振动信息。gydF4y2Ba2 a, bgydF4y2Ba)。80海里×15纳米尺寸的Si OM能量改变地图覆盖几乎整个QD,以及周围的层间Si,并且与QD的形状相匹配,确认高空间分辨率。QD内的Si OM能量转移是不均匀,具有良好的跟踪与通用电气QD的组成:Si OM最高能量的转变是通用电气的含量最高(无花果。gydF4y2Ba2摄氏度gydF4y2Ba),最大3.88兆电子伏的红移。反映在二维的不对称合成图中观察到的能量改变地图和与无花果的观察一致。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba。虽然一维(1 d)纳米锗硅结构的成分gydF4y2Ba36gydF4y2Ba,我们使用2 d空间组合映射和关联的composition-induced振动能量转变。gydF4y2Ba

图2:空间映射的锗浓度和Si OM能源单一QD的转变。gydF4y2Ba
图2gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba、通用地图组成收购磁心损耗鳗鱼。白色的对比在彩色地图很容易看到相对QD周围的接口延伸多远。红色和蓝色的颜色表明近50 0。%锗浓度,分别。gydF4y2BabgydF4y2Ba,二维空间的映射Si OM的能量从一个名义值58.9兆电子伏的单个QD。蓝色和红色的颜色极端表示标准和转移能量,分别。规模的酒吧gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba和gydF4y2BabgydF4y2Ba10纳米。gydF4y2BacgydF4y2Ba,十个水平,pixel-averaged 1 d概要(白色阴影区域gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba和gydF4y2BabgydF4y2Ba)的通用电气组成(红蓝)和Si OM能量转移(彩色)各自地图匹配的配色方案。能量转移是通过减去58.9兆电子伏(平均声子能量在周围Si)从所有Si OM能量测量值。误差线代表标准偏差。gydF4y2BadgydF4y2Ba在量子点几,峰的位置如果OM锗浓度(gydF4y2BaxgydF4y2Ba)中心的QD增加。误差线代表峰值拟合误差。gydF4y2Ba

全尺寸图像gydF4y2Ba

此外,不同成分的影响量子点在几个研究在一个示例中,有效地限制自由变量的数量在我们的试验装置。图gydF4y2Ba二维gydF4y2Ba显示了Si OM的能量位移趋势作为通用电气组成的函数(gydF4y2BaxgydF4y2Ba量子点)的中心对应的。我们的数据表达斜率的线性趋势−9.3±1.09兆电子伏gydF4y2BaxgydF4y2Ba躺在文学接受的价值观,与拉曼光谱获得的值从7.7−−8.8兆电子伏gydF4y2BaxgydF4y2Ba(参考文献。gydF4y2Ba18gydF4y2Ba,gydF4y2Ba33gydF4y2Ba,gydF4y2Ba34gydF4y2Ba,gydF4y2Ba35gydF4y2Ba)和一个gydF4y2BaygydF4y2Ba截距为59.8±0.4兆电子伏匹配与momentum-averaged Si OM能源在纯硅。gydF4y2Ba

图gydF4y2Ba3gydF4y2Ba显示了一个二维强度的映射Si OM获得相同的QD在无花果。gydF4y2Ba2 bgydF4y2Ba。一个显著特征是底部的Si OM夹层Si有15.9%强度增强相对于上面,突出显示在无花果。gydF4y2Ba3 dgydF4y2Ba,尽管没有夹层Si成分差异,无花果就证明了这一点。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba。我们认为这种增强的来源源自不同的散射动力学由于两个不同的接口:突然底界面和循序渐进的高级接口(图。gydF4y2Ba3 c, dgydF4y2Ba)。由momentum-averaged散射截面gydF4y2BaσgydF4y2Ba=∫gydF4y2BaσgydF4y2Ba(gydF4y2Baω,gydF4y2Ba问gydF4y2Ba)dgydF4y2Ba问gydF4y2Ba和momentum-resolved斯托克斯散射概率的快速电子(有关详细信息,请参阅“DPM映射”和定义的术语)由于晶格振动附近一个接口派生gydF4y2Ba26gydF4y2Ba。解释实验强度增强,当地平衡声子人口的变化gydF4y2BangydF4y2Ba问gydF4y2Ba,vgydF4y2Ba,在那里gydF4y2Ba问gydF4y2Ba表示声子和势头gydF4y2BaνgydF4y2Ba表示某一声子分支,和当地的态密度(ldo)被认为是单独的。可以忽略不计(见beam-induced温度上升gydF4y2Ba补充第四节gydF4y2Ba),gydF4y2BangydF4y2Ba问gydF4y2Ba,vgydF4y2Ba是恒定的两个Si地区附近突然和渐进的接口。计算ldo显示没有强度增强,这可能是由于不变成分(gydF4y2Ba补充图1gydF4y2Ba)。因此,当地的非平衡声子gydF4y2BafgydF4y2Ba问gydF4y2BaνgydF4y2Ba决心是一个主导因素生产下面的强度增强突然接口在无花果。gydF4y2Ba3gydF4y2Ba(见gydF4y2Ba补充第六节gydF4y2Ba)。非平衡声子占领由两部分组成gydF4y2BafgydF4y2Ba问gydF4y2Ba,νgydF4y2Ba=gydF4y2BafgydF4y2Ba问gydF4y2Ba,νgydF4y2Ba,0gydF4y2Ba+gydF4y2BaggydF4y2Ba问gydF4y2Ba,νgydF4y2Ba,gydF4y2BafgydF4y2Ba问gydF4y2Ba,νgydF4y2Ba,0gydF4y2Ba平衡“bose - einstein”分布(gydF4y2BangydF4y2Ba问gydF4y2Ba,vgydF4y2Ba在室温和gydF4y2BaggydF4y2Ba问gydF4y2BaνgydF4y2Ba作为人口偏离平衡由于电子能量损失和界面反射。在界面附近,光学声子的Si一面反映由于模式不匹配的接口。因此,人口偏差gydF4y2BaggydF4y2Ba问gydF4y2Ba,νgydF4y2Ba可以进一步分解为两部分,源自电子束声子,gydF4y2BaggydF4y2Ba0gydF4y2Ba,镜面反射界面声子。我们使用玻耳兹曼输运方程(耳背式)来解决人口偏差gydF4y2BaggydF4y2Ba,发现gydF4y2BaggydF4y2Ba=gydF4y2BaggydF4y2Ba0gydF4y2Ba+gydF4y2Ba安全域gydF4y2Baexp (−2gydF4y2BabgydF4y2Ba/gydF4y2BaΛgydF4y2Ba),gydF4y2BaDgydF4y2Ba是一个前因子,gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba和gydF4y2BaRgydF4y2Ba的镜面反射参数和反射界面,分别gydF4y2BabgydF4y2Ba接口和之间的距离吗gydF4y2BaΛgydF4y2Ba声子平均自由程(MFP)。从原子论的格林函数的计算,我们发现最小的反射率差突然接口和一个渐进接口作为纳米结构曲率的函数(gydF4y2Ba补充图5gydF4y2Ba)。因此,我们得出这样的结论:非平衡声子人口的差异必须归因于的差异gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba突然的接口和渐进的接口。我们的耳背式模拟表明,鳗鱼强度增强归因于更高gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba突然的接口比渐进的接口。QD的锗浓度增加,成分变化突然界面变得更加剧烈,导致强度增强,展品在QD单调关系增加通用电气组成,如无花果所示。gydF4y2Ba3 egydF4y2Ba。此外,增强消失,声子的QD探索,逐渐和突然接口成为几乎相同的(扩展数据图。gydF4y2Ba5gydF4y2Ba),因为薄接口可能有较小的反射,从而减少反射的声子人口同样接口的两侧。此外,声子反射可以用来研究声子MFP(扩展数据无花果。gydF4y2Ba6gydF4y2Ba和gydF4y2Ba7gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

图3:非对称光谱强度附近的Si OM渐进的和突然的接口。gydF4y2Ba
图3gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba二维空间地图Si OM 35的强度。%的平均通用电气组成QD。红色和蓝色对比表示极端高强度和低相对模式。gydF4y2BabgydF4y2Ba元素的垂直梯度的绝对值,地图在无花果。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba突然,强调相对接口。规模的酒吧gydF4y2Ba得了gydF4y2Ba10纳米。gydF4y2BacgydF4y2Ba玻耳兹曼输运模拟映射的非平衡声子Si OM与高层接口的增强gydF4y2Ba老gydF4y2Ba= 0和底部的接口gydF4y2Ba老gydF4y2Ba= 1。进行了模拟只Si的一面和声子被认为是正常事件。声子与倾斜入射强度不会导致鳗鱼的增强。图中的红色代表一个大的非平衡增强声子。gydF4y2BadgydF4y2Ba,十个水平,pixel-averaged 1 d地图的配置文件gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba和gydF4y2BabgydF4y2Ba(白色阴影区域)。1 d强度的谱线轮廓gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba与柱状图绘制的gydF4y2BabgydF4y2Ba。误差棒表示标准偏差。gydF4y2BaegydF4y2Ba如果OM强度增强、情节作为最大的函数Ge QD的成分。gydF4y2Ba

全尺寸图像gydF4y2Ba

振动信号的变化的线扫描(扩展数据图。gydF4y2Ba8 bgydF4y2Ba)可能起源于短程梁和原子核之间的库仑相互作用,提供原子尺度的对比gydF4y2Ba29日gydF4y2Ba。有趣的是,即使在最大峰值高度规范化,通用电气OM仍然显示了很强的调制。gydF4y2Ba

恢复定向和动量信息和说明声子动力学QD接口,一个momentum-resolved光束检测器几何是使用3 mrad semi-angle趋同gydF4y2Ba25gydF4y2Ba,gydF4y2Ba37gydF4y2Ba(无花果。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)获得动量微分声子(DPM)地图(见“DPM映射”)。映射的区别和考虑动量守恒(声子动量向量对电子的动量改变方向,如无花果所示。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba),DPM地图生成在垂直方向和声子动量方向实验首次在纳米尺度上的成像。自动的理想接口,声子在接口被认为是镜面反射,动量平行于界面gydF4y2Ba问gydF4y2Ba/ /gydF4y2Ba由于看到的平移对称是守恒的。相反,一个自动不规则界面,原子障碍打破了横向平移对称,因此,声子模式不同gydF4y2Ba问gydF4y2Ba/ /gydF4y2Ba也可以耦合,导致漫散射过程。无花果的DPM地图。gydF4y2Ba4摄氏度gydF4y2Ba显示动量向量指向突然接口,鉴于在Si光学声子群速度方向相反的动力来自Γ-X(扩展数据图。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba),如果光学声子然后被传播距离突然接口。声子通量,产品声子群速度和数量的动量与给定图所示。gydF4y2Ba4 dgydF4y2Ba实验证实了这一现象,符合物理封装图。gydF4y2Ba3 a, bgydF4y2Ba。越突然接口有更高程度的镜面反射,因此代backward-moving声子是首选,而更加渐进的界面顶部有许多弱方向性偏好由于其更多的从硅锗硅逐渐过渡。gydF4y2Ba

图4:Momentum-resolved DPM声子动量正常地图逐渐和突然的QD接口。gydF4y2Ba
图4gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba,试验梁的几何示意图显示一个鳗鱼孔径的离轴位置在第一Brillion区(Si FBZ),实现了通过post-specimen分散电子束的倾斜。水晶轴上叠加Si-QD晶体结构,和电子声子能量交换过程的动量守恒向量叠加在动量空间部分的图。电子散射wavevector图演示了快速电子声子动量转移。在这些momentum-resolved实验条件下,gydF4y2Ba问gydF4y2Ba≈gydF4y2Ba问gydF4y2BargydF4y2Ba由于生成的声子有相反的动量改变电子束的迹象,主要产生的势头声子在平面方向(垂直于界面)。gydF4y2BabgydF4y2Ba,3 mrad收敛semi-angle会聚束电子衍射模式002 - 00gydF4y2Ba\({2}\ \酒吧)gydF4y2Ba斑点是标签。中间略透明的橙色六角形状表示FBZ Si的贴上8.96 mradΓ-X距离。中心附近的红色和蓝色圆圈表示鳗鱼入口孔径位置离轴数据。gydF4y2BacgydF4y2Ba,如果净垂直动量光学声子的映射。gydF4y2BadgydF4y2Ba声子通量矢量地图获得的产物的声子群速度和数量与给定动量方向覆盖3 mrad HAADF形象。面板gydF4y2BacgydF4y2Ba和gydF4y2BadgydF4y2Ba都伴随着各自的水平平均线配置文件。误差在gydF4y2BacgydF4y2Ba和gydF4y2BadgydF4y2Ba代表标准偏差。gydF4y2Ba

全尺寸图像gydF4y2Ba

在纳米半导体空间映射的震动的能力是至关重要的领域的能量转换、量子计算和纳米技术。我们已经表明,振动鳗鱼能够探测交互动态,表现为调节当地人口的振动状态。我们的研究结果提供深入了解纳米声子物理接口和显示实验调节在当地振动状态的纳米结构和接口。我们还获得动态声子过程的直接实验证据的形式从界面声子反射在纳米尺度上,高光揭幕声子之间的相互作用和界面。总之,是最佳的纳米结构的结构来实现高的突然改变声子阻抗从而降低热导率。除了热传输,结合subnanometre决议与振动信息提供了空前的热力学进入纳米尺度,如热容和熵。gydF4y2Ba

方法gydF4y2Ba

锗硅量子点的制备和TEM样品的准备gydF4y2Ba

QD样本生长在600°C的超高真空化学蒸汽沉积(特高压/ CVD)系统。通用电气和Si口供,纯GeHgydF4y2Ba4gydF4y2Ba和硅gydF4y2Ba4gydF4y2Ba气体被用作前驱,分别。硅晶片被刻在稀释高频的解决方案创建一个hydrogen-passivated表面,沉积。沉积后的50 nm厚的缓冲层的Si,通用电气层种植20 nm Si间隔层之间通用电气QD层自组装量子点传统的形成。为研究热稳定性和tuneability结构参数的原位post-deposition生长温度的退火进行1 h。最终产品是一个thin-film-like 40-period材料多种的QD栈厚度高达大约1.2µm。QD纳米结构跨越70 - 90 nm, 6 - 8纳米厚(见扩展数据图。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)。锗硅量子点的类金刚石结构类似于Si和通用电气、随机和硅和锗原子的无序排列。成长过程的更多细节可以在裁判。gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba。本研究中使用的横断面TEM样品由聚焦离子束铣、而准备的平面影像TEM样品机械抛光。QD接口是正常的(001)晶面,而沿[110]晶带轴是晶体的方向。量子点的研究,一些被拉长(扩展数据图10 - 15%。gydF4y2Ba2 g hgydF4y2Ba)没有特别一致的方向。然而,有一些相当对称锗硅量子点(扩展数据图。gydF4y2Ba2我gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

拉曼光谱gydF4y2Ba

拉曼光谱是使用英国inVia共焦拉曼显微镜。点光谱QD样本和硅晶片在一秒钟50帧,然后总结实现高信噪比。gydF4y2Ba

干细胞成像gydF4y2Ba

图像是用叉子UltraSTEM 200高能量分辨率全色盲者鳗鱼系统(HERMES)操作在60 kV和200 kV加速电压mrad 33和34 mrad收敛semi-angles,分别生产1.5和0.78大小的探测器。高纬度环形暗场信号收集使用内部和外部的高纬度环形探测器收集103 mrad和210 mrad角度,分别。电子束电流大约是100 pA成像条件。QD接口的大小估计使用10 - 90%标准gydF4y2Ba38gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

作文鳗鱼映射gydF4y2Ba

2 d平面和代表性的元素映射是使用双Cs-corrected 300千伏JEOL大臂S / TEM系统。0.5电动汽车每像素色散用于元素映射,收敛semi-angle 25 mrad和收集100 mrad角。光谱中获得500 - 2355 eV范围,包括通用电气L边1217 eV和Si K边1839 eV(扩展数据图。gydF4y2Ba2摄氏度gydF4y2Ba)。夹层Si的磁心损耗谱显示只有一个峰值,对应于Si K边缘,而锗硅QD的光谱显示了两个峰,对应于通用电气的左边缘和Si K边。单一QD元素地图获得0.5 nm每像素步长,而低放大率光谱获得2 nm步长和被用来确定成分分布在不同的QD层。Si和通用电气的磁心损耗信号减去背景和综合使用Gatan数字显微照片的软件。扩展数据图的直方图数据报告。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba获得了平均每个QD的4×4像素中心。gydF4y2Ba

爱马仕的实验gydF4y2Ba

实验数据获得在叉子UltraSTEM 200显微镜与爱马仕系统操作60 kV之间达到一个平衡高空间分辨率和高非弹性散射电子概率的振动光谱。鳗鱼光谱是由低角散射电子(扩展数据图。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)。结合高色散光谱仪的单色仪,我们取得了最好的探测器的能量分辨率5.7兆电子伏10 ms收购60 keV的真空。CMOS相机采集2 d光谱图像,然后裁剪和夷为平地undispersed方向产生一个1 d光谱鳗鱼。gydF4y2Ba

Momentum-averaged 33 mrad条件gydF4y2Ba

使用33 mrad鳗鱼收购了大电流探测器分辨率和电子束电流如“干细胞成像”一节所述。高调查所需电流获得高信噪比谱,稍微降低空间分辨率为代价的。全色盲者的插入狭缝减少了探针电流大约3 pA,但给出了能量宽度8.3兆电子伏的采集时间与探测器放置在样品1秒。这使得准确探测的光学模式锗。1毫米的鳗鱼入口孔径角25 mrad鳗鱼semi-angle集合。硅的热晕Γ-X长度只有8.96 mrad,集合semi-angle 25 mrad收集inelastically分散电子从多个邻国热晕。gydF4y2Ba

光谱数据的形式获得线扫描和2 d地图全色盲者缝插入。线扫描,收集100光谱帧1秒曝光,一致通过各自的零损失峰值(ZLP)最大值,然后总结为每个探测器的位置。暗电流频谱中经常获得实验。调整个人帧ZLP平均随机噪声出现在每一帧。最大化接触时间不饱和鳗鱼相机提供最好的信噪比。这个收购计划的实现是通过使用叉子快速设计软件和定制的Python脚本直接控制必要的硬件参数。gydF4y2Ba

声子的地图整个锗硅QD由nanometre-step 80×15阵列得到的数据点1 - 1.5秒曝光和5帧/像素。由于大尺寸的地图,集成框架的数目进行优化限制样品漂移和发射电流下降加班。典型的地图是关于收购时间2 - 3 h和获取高质量的数据有几个难点:样本污染,电子束电流漂移,逐渐下降,恶化由于低阶谱仪畸变的能量分辨率。为了减轻这些影响,下面的预防措施和程序进行:gydF4y2Ba

  1. 1。gydF4y2Ba

    仪器被调到最佳鳗鱼采集参数实现能量分辨率约8.3兆电子伏的样本和稳定至少4 h。实验被执行后的第二天早上,由于卓越的稳定性UltraSTEM,每小时小于5的样品漂移。gydF4y2Ba

  2. 2。gydF4y2Ba

    自定义映射代码启用的闪烁提示每小时以确保高束电流,这是必要的,为了获得最佳的信噪比以及自动校正的鳗鱼一阶畸变每隔几个点,保持高能量分辨率在整个实验。gydF4y2Ba

Momentum-resolved 3 mrad条件gydF4y2Ba

3 mrad收敛semi-angle和2.5 mrad鳗鱼semi-angle集合,真实空间探测器大小约为2.6 nm和同轴的能量分辨率8.3兆电子伏在真空和9.1兆电子伏的样本。DPM在收集离轴映射进行了光谱强度第一Brillion区内。离轴集合是通过使用post-specimen镜头的组合来实现转变的衍射图像,同时保持真实空间探测静止不动的,所以该地区的兴趣倒易空间位于鳗鱼入口孔径(扩展数据图。gydF4y2Ba9gydF4y2Ba)。能量分辨率约为12 - 14兆电子伏在这种情况下,使峰分离困难。获得地图大小30×20步长为1海里每像素和5 s曝光。样本稳定减少漂移,数据从两个地区对称Γ可以获得来自同一QD漂移小于1海里。gydF4y2Ba

光谱数据处理gydF4y2Ba

所有获得的光谱处理使用自定义Python代码。光谱是规范化的ZLP最大,以便每个振动强度代表了部分散射概率。背景光谱被减去使用洛伦兹的线性组合集中在ZLP和一个指数多项式egydF4y2BapgydF4y2Ba(gydF4y2BaxgydF4y2Ba)gydF4y2Ba,在那里gydF4y2BapgydF4y2Ba(gydF4y2BaxgydF4y2Ba)是一个四阶多项式。这个函数是能源windows安装之前和之后的感兴趣的区域。这种组合产生大幅减少左端和一个缓慢而稳定的尾巴,这是必要的准确提取锗的低能光学模式。使用scipy适合了。Python库和拟合系数优化,和协方差提取。确定背景合适的功效,获得误差值的平方根对角协方差矩阵,是检查和最小化。任何负面background-subtracted信号被审查,非现实的价值观。gydF4y2Ba

通过拟合振动鳗鱼信号pseudo-Voight合适,高斯函数的线性组合和洛伦兹,我们可以收集信息模式的激发概率及其能量位置,由拟合强度和峰位输出。个人非弹性概率分开background-subtracted光谱通过执行pseudo-Voight适合使用curve_fit scipy.optimize ()。拟合参数的个人高峰和提取相应的错误。我们检查错误的价值获得合适的协方差来验证我们的峰分离。由于复杂信号的性质,声子色散曲线和拉曼散射数据被用来精确deconvolute重叠峰。0的下界和上界的无穷40伏,放在pseudo-Voight适合的高度和宽度,分别。能源的位置范围从最初的选择是±5兆电子伏的参考位置,以避免交叉pseudo-Voight适合分开。gydF4y2Ba

Momentum-resolved光谱被封存首先削减和加工主成分分析(PCA)在背景减法由于低声子散射截面梁下几何学。背景减法后,由于能量分辨率和低强度差,峰分离并不是可行的,和一个简单的集成进行了强度来获得硅光学模式。2 d地图是由集成55 - 65伏的信号能量在每个像素区域。gydF4y2Ba

主成分分析gydF4y2Ba

给定的采集参数线扫描,优秀的信噪比是足够准确的单独的个体模式。低的采集参数映射数据集需要使用PCA改善信号质量。而不是使用傅里叶滤波或其他使平滑技术,主成分分析可以从大地图数据集和建构的光谱,维护重要特性,同时提高其质量。gydF4y2Ba

地图数据首次背景减去和修剪以减少特征尺寸。数据集被安排gydF4y2BaNgydF4y2Ba×gydF4y2BaDgydF4y2Ba,在那里gydF4y2BaNgydF4y2Ba在不同的点和代表background-subtracted光谱gydF4y2BaDgydF4y2Ba每个像素强度的信号。三个主要特征向量描述大多数提供的数据,包括额外的特征向量只增长百分之一,累计解释方差的一小部分。PCA用于地图大小的80×15日生产的gydF4y2BaNgydF4y2Ba= 1200数据点和修剪background-subtracted光谱gydF4y2BaDgydF4y2Ba= 182像素,这机器学习算法来实现理想的条件产生的结果(扩展数据图。gydF4y2Ba10gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

离轴momentum-resolved数据不能平滑以同样的方式由于phonon-scattering截面较小的集合的角度和修改。在PCA的标准实现,并不是每一个示例包含,因此不能平滑的数据作为主要功能是噪音。相反,我们创建了一个超集的地图数据装箱像素并将它们添加到原始地图数据集。装箱平均噪声同时增强感兴趣的光谱特性。首先,他们用地图数据2 3,等等,每个先后添加到原始数据集来创建一个超集。的分箱数据到数据集,PCA按计划执行、准确地平滑数据。和上面相同的标准被用于选择适当数量的特征向量。gydF4y2Ba

数据可视化gydF4y2Ba

映射的等高线数据使用matplotlib创建。pyplot,另一个Python库。提取参数从pseudo-Voigt配件被用于创建一个空间解决二维地图。地图使用高斯插值生成更好的可视化。Phonon-mode强度和峰位地图地图是硅光学模式的构建单位的归一化强度和兆电子伏,分别。gydF4y2Ba

多通道模拟方法gydF4y2Ba

我们使用三个互补的计算方法(采用基于计算格林函数和耳背式)模拟梁和界面反射的非平衡的贡献。首先,了解实验振动鳗鱼从夹层硅和锗硅量子点的光谱,采用基于计算被用来进行精确模拟声子能带结构和部分DOS (pdo)是的,通用电气和锗硅合金无序(参见下一节和扩展数据无花果。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba和gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)。采用基于计算也进行了考虑应变效应夹层Si(见gydF4y2Ba补充第三节gydF4y2Ba和gydF4y2Ba补充图2gydF4y2Ba)。疲软的拉伸应变附近的Si突然接口将略有减少Si的pdo OM,这不能解释鳗鱼强度的增强。第二,进一步理解如果OM的增强强度在无花果。gydF4y2Ba3gydF4y2Ba,我们使用格林函数研究QD几何的影响在一个大型超晶胞包含渐进的和突然的接口(见gydF4y2Ba补充第二节gydF4y2Ba和gydF4y2Ba补充图1gydF4y2Ba),它不能处理采用基于计算。然而,当地的声子DOS结果没有显示显著增强附近的pdo接口,来解释光学声子的振动信号的变化Fig。gydF4y2Ba3gydF4y2Ba。鳗鱼截面是原子的振动性质密切相关,包括声子分布函数和声子色散,而非平衡声子声子的一部分人口密切相关的反射系数(见下面的方程(1)和(2))。最后,我们缩小了增强的非平衡分布的来源所产生的声子能量传递的快电子样本。我们使用了耳背式(见gydF4y2Ba补充第六节gydF4y2Ba,无花果。gydF4y2Ba3 cgydF4y2Ba补充图。7日,以及扩展数据图。gydF4y2Ba6gydF4y2Ba)计算非平衡声子人口。在耳背式模拟,mode-resolved声子突然和渐进的界面反射系数的获得原子论的格林函数(见gydF4y2Ba补充第五节gydF4y2Ba和gydF4y2Ba补充无花果。5和6gydF4y2Ba)。声子玻耳兹曼输运描述了声子动力学,我们采用弛豫时间近似求解声子耳背式,这已被证明是一个很好的近似锗硅合金gydF4y2Ba39gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

声子色散和DOS模拟gydF4y2Ba

我们采用基于计算进行了使用投影仪的维也纳从头开始模拟包增广波法。该方法采用价电子与离子相互作用的核心gydF4y2Ba40gydF4y2Ba,gydF4y2Ba41gydF4y2Ba,能源截止平面波的基础上扩张设置为700 eV。广义梯度近似的功能由Perdew-Burke-Ernzerhof exchange-correlation功能选择gydF4y2Ba42gydF4y2Ba。所有原子都是完全轻松使用共轭梯度法的能量最小化直到每个原子上的力小于0.01 eVgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba。声子谱和相应的声子DOS使用密度泛函微扰理论得到gydF4y2Ba43gydF4y2Ba。与实验声子比较信号,声子DOS与高斯卷积的宽度7兆电子伏能源解决ZLP相匹配。gydF4y2Ba

DPM映射gydF4y2Ba

完善momentum-resolved方法可以测量声子色散曲线沿着某些互惠方向和揭示当地外来声子模式引起的光谱变化。然而,这样的方法不能确定声子传播的方向,这是必不可少的理解真正的热传输设备。获得特定的声子的传播方向,我们开发了一个DMP方法减去声子状态相反的相互位置。虽然在momentum-resolved最先进的方法在测量振动鳗鱼有巨大的成功声子色散曲线gydF4y2Ba26gydF4y2Ba,研究纳米缺陷模式gydF4y2Ba25gydF4y2Ba,他们还没有利用动量偏振选择可用的配置。gydF4y2Ba

恢复定向和动量信息和说明声子动力学QD接口,一个momentum-resolved光束检测器使用几何(无花果。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)获得DPM地图。一个收敛semi-angle 3 mrad(动量分辨率为0.5 AgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba)是用在这里,大约三分之一的大小,如果如无花果所示。gydF4y2Ba4 bgydF4y2Ba,使动量决议,而33 mrad区域包含甚至邻近热(扩展数据图。gydF4y2Ba9gydF4y2Ba)。55 - 65伏地区综合光谱强度(Si OM)在红色和蓝色区域代表Si OM声子对002(Δ由电子转移gydF4y2Ba+gydF4y2Ba),gydF4y2Ba\(00 \酒吧{2}\ \)gydF4y2Ba(ΔgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba分别在倒易空间)地区(扩展数据图。gydF4y2Ba9 b, cgydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

DPM成像的理论描述始于鳗鱼散射截面,也考虑了非平衡声子代替平衡声子gydF4y2Ba\ ({n} _ {{\ boldsymbol {q}}, \ν}\)gydF4y2Ba与完整的声子人口gydF4y2BafgydF4y2Ba问gydF4y2Ba,νgydF4y2Ba=gydF4y2BangydF4y2Ba问gydF4y2Ba,νgydF4y2Ba+gydF4y2BaggydF4y2Ba问gydF4y2Ba,νgydF4y2Ba,在那里gydF4y2BaggydF4y2Ba问gydF4y2Ba,νgydF4y2Ba表示只有非平衡的贡献gydF4y2Ba26gydF4y2Ba:gydF4y2Ba

$ $ \压裂{{{rm \ d{}}} ^{2} \σ({\ boldsymbol {q}}, \ω)}{{rm \ d {}} \ {rm \ d{}} \ω}= \压裂{4}{{{一}_{0}}^{2}}\压裂{\ hslash} {{q} ^{4}}{\总和}_ {v} \压裂{{f} _ {{\ boldsymbol {q}}, \ν}+ 1}{{\ω}_ {{\ boldsymbol {q}}, \ν}}{|{\总和}_{我}\压裂{1}{\√6 {{M} _{我}}}{f} _{我}({\ boldsymbol {q}}) {\ boldsymbol {q}} \ cdot {{\ boldsymbol {e}}} _ {{\ boldsymbol {q}}, \ν}^{我}{e} ^{我{\ boldsymbol {q}} \ cdot {{\ boldsymbol{\τ}}}_{我}}|}^{2}\δ(\ω-{\ω}_ {{\ boldsymbol {q}}, \ν}),$ $gydF4y2Ba
(1)gydF4y2Ba

在这里,gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba0gydF4y2Ba波尔半径,gydF4y2BaħgydF4y2Ba减少了普朗克常数,gydF4y2Ba问gydF4y2Ba动量传递,gydF4y2Ba\({\ω}_ {{\ boldsymbol {q}}, \ν}\)gydF4y2Ba是动量转移的声子频率gydF4y2Ba问gydF4y2Ba和声子分支gydF4y2Ba\ \(ν\)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\ ({M} _{我}\)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba\ ({{\ boldsymbol{\τ}}}_{我}\)gydF4y2Ba是原子质量和位置,gydF4y2Ba我F \ ({} _ {} ({\ boldsymbol {q}}) \)gydF4y2Ba是组件的傅里叶变换和原子电荷密度有关吗gydF4y2Ba我\ \ ()gydF4y2Ba和gydF4y2Ba\ ({{\ boldsymbol {e}}} _ {{\ boldsymbol {q}}, \ν}^{我}\)gydF4y2Ba表示原子的特征向量gydF4y2Ba我\ \ ()gydF4y2Ba与质量gydF4y2Ba\ ({M} _{我}\)gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

然后,我们执行集成在Si OM的能量和在动量空间的物理孔径大小和位置。我们替换gydF4y2Ba\ \(ν\)gydF4y2Ba如果OM。然后我们获得的表达式鳗鱼声子在DMP光谱强度:gydF4y2Ba

我$ $ {}_ {{rm \ D {}} {\ rm {M}} {rm \ P{}}} = - \压裂{4 \ hslash}{{{一}_ {0}}^ {2}}{\ int} _{{\ω}_ {{\ rm{年代}}{\ rm{我}}{\ rm {O}} {\ rm {M}}}} {rm \ D{}} \ω({\ int} _{{\三角洲}_ {+}}- {\ int} _{{\三角洲}_{-}})\压裂{{rm \ D{}} \ω}{{q} ^{4}} \压裂{{f} _ {{\ boldsymbol {q}}, {\ rm{年代}}{\ rm{我}}{\ rm {O}} {\ rm {M}}} + 1}{{\ω}_ {{\ boldsymbol {q}}, {\ rm{年代}}{\ rm{我}}{\ rm {O}} {\ rm {M}}}}{| \总和_{我}\压裂{1}{\√6 {{M} _{我}}}{f} _{我}({\ boldsymbol {q}}) {\ boldsymbol {q}} \ cdot {{\ boldsymbol {e}}} _ {{\ boldsymbol {q}}, {\ rm{年代}}{\ rm{我}}{\ rm {O}} {\ rm {M}}} ^{我}{e} ^{我{\ boldsymbol {q}} \ cdot {{\ boldsymbol{\τ}}}_{我}}|}^{2}\δ(\ω-{\ω}_ {{\ boldsymbol {q}}, {\ rm{年代}}{\ rm{我}}{\ rm {O}} {\ rm {M}}}), $ $gydF4y2Ba
(2)gydF4y2Ba

这个表达式的关键方面是截然相反的微分孔位置和非平衡声子人口。高光的接口创建一个各向异性的非平衡人口声子,DPM地图提供的对比。gydF4y2Ba

轴上,相比momentum-averaged映射在无花果。gydF4y2Ba3gydF4y2Ba,如果OM模式的强度较高的QDΔgydF4y2Ba+gydF4y2Ba地区比层间Si(扩展数据图。gydF4y2Ba9 bgydF4y2Ba),尽管如果浓度较低,这表明有一个更强的偏好对声子QD下行势头。相同的强度增强见图。gydF4y2Ba3gydF4y2Ba是当两Δ加法强度恢复gydF4y2Ba+gydF4y2Ba和ΔgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba地区(扩展数据图。gydF4y2Ba9 dgydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

推理的声子MFP使用反射强度gydF4y2Ba

reflection-induced非平衡声子的人口gydF4y2BaggydF4y2Ba′衰变的距离的函数接口,与衰减长度的MFP Si OM(扩展数据图。gydF4y2Ba6gydF4y2Ba)。20×15 nm映射量子点层间如果有界的两个演示了一个渐进的变化如果OM强度(扩展数据图。gydF4y2Ba7gydF4y2Ba)。区域的顶部被突然接口有限,而通过渐进的界面底部是有界的。的考虑两个接口有某种程度的高光,数据符合的和两个指数衰减引起的接口。有了健康,我们获得一个MFP (gydF4y2BaΛgydF4y2Ba)值50.2±19.4 nm的Si OM,这是一个数量级内接受的价值观,在几十纳米的范围gydF4y2Ba44gydF4y2Ba可以测量,证明了声子的MFP纳米的分辨率。gydF4y2Ba