[논문 리뷰] 2D phononic crystals: Disorder matters

Markus R. Wagner, Bartłomiej Graczykowski외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 23.

Acoustic Wave Phenomena Research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 2차원 실리콘 폰온닉 크리스탈에서 질서와 표면 거칠기의 영향을 초음속 및 열적 포논 성질에 미치는 영향을 조사한다. 초고속 분광법과 라만 온도 측정을 통해 질서가 GHz 범위의 포논 분산과 공명성을 수정하지만 실온에서 열전도도는 변화시키지 않음을 입증하여, 거칠기와 질서 매개변수에 기반한 포논 공명성에 대한 예측 기준을 제시한다.

ABSTRACT

The design and fabrication of phononic crystals (PnCs) hold the key to control the propagation of heat and sound at the nanoscale. However, there is a lack of experimental studies addressing the impact of order / disorder on the phononic properties of PnCs. Here, we present a comparative investigation of the influence of disorder on the hypersonic and thermal properties of 2-dimensional PnCs. PnCs of ordered and disordered lattices are fabricated of circular holes with equal filling fractions in free-standing Si membranes. Ultrafast pump and probe spectroscopy (asynchronous optical sampling) and Raman thermometry based on a novel two-laser approach are used to study the phononic properties in the GHz and THz regime, respectively. Finite element method simulations of the phonon dispersion relation and three dimensional displacement fields furthermore enable the unique identification of the different hypersonic vibrations. The increase of surface roughness and the introduction of short range disorder are shown to modify the phonon dispersion and phonon coherence in the hypersonic (GHz) range without affecting the room temperature thermal conductivity. Based on these findings we suggest a criteria for predicting phonon coherence as function of roughness and disorder.

연구 동기 및 목표

• 2차원 폰온닉 크리스탈에서 구조적 질서와 표면 거칠기가 포논 성질에 미치는 영향을 실험적으로 조사하기.
• 질서가 실리콘 기반 나노구조에서 초음속 포논과 열전도에 다르게 영향을 미치는지 규명하기.
• 질서와 표면 거칠기 매개변수에 기반한 포논 공명성에 대한 예측 기준을 개발하기.
• 동일한 충진률을 가진 순서 있는 및 비순서적인 2차원 폰온닉 크리스탈 격자 간을 고급 분광 기법을 사용해 비교하기.

제안 방법

• 동일한 충진률을 가진 순서 있는 격자에서 비순서적인 격자로 점진적으로 변화하는 원형 구멍의 2차원 배열을 포함한 자유지지 실리콘 막의 제작.
• GHz 범위의 초음속 포논을 탐사하기 위해 이종광학 샘플링(ASOPS)을 활용한 초고속 펌프-프로브 분광법의 적용.
• THz 범위의 열성질을 측정하기 위해 새로운 이중 레이저 라만 온도 측정 기법의 활용.
• 포논 분산 관계와 3차원 이동장의 유한요소법(FEM) 시뮬레이션을 통해 초음속 진동 모드를 식별하고 특성화하기.
• 실험 데이터와 FEM 시뮬레이션의 상관관계를 통해 관측된 포논 모드를 유일하게 할당하고 공명성 효과를 평가하기.
• 표면 거칠기와 근거리 질서의 정량적 분석을 통해 포논 공명성에 대한 예측 모델 유도하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2차원 폰온닉 크리스탈에서 구조적 질서는 GHz 범위의 초음속 포논 분산과 공명성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 표면 거칠기는 실온에서 열전도도를 변화시키지 않으면서도 포논 공명성에 영향을 미치는가?
• RQ3 근거리 질서와 표면 거칠기는 초음속 영역에서 포논 행동을 어느 정도 수정하는가?
• RQ4 유한요소법 시뮬레이션은 비순서적인 2차원 폰온닉 크리스탈에서 초음속 진동 모드를 유일하게 식별할 수 있는가?
• RQ5 측정 가능한 질서 및 거칠기 매개변수에 기반해 포논 공명성을 예측할 수 있는 기준은 무엇인가?

주요 결과

• 표면 거칠기와 근거리 질서는 초음속(GHz) 범위에서 포논 분산 관계를 수정하여 포논 전파 특성의 변화를 나타낸다.
• 실온에서 열전도도가 그대로 유지되더라도 포논 공명성은 질서와 거칠기의 영향을 크게 받는다.
• 유한요소법 시뮬레이션은 다양한 초음속 진동 모드를 성공적으로 식별하고 구분하여 실험 데이터의 정밀한 해석을 가능하게 한다.
• 이 연구는 표면 거칠기와 질서 매개변수에 기반한 포논 공명성에 대한 예측 기준을 수립한다.
• 초고속 펌프-프로브 분광법과 이중 레이저 라만 온도 측정은 GHz 및 THz 주파수 영역에서 포논 역학에 대한 상보적인 통찰을 제공한다.
• 포논 분산이 변화했음에도 불구하고 열전도도가 변화하지 않은 것은 이 시스템에서 열전도가 초음속 포논 공명성과 분리되어 있음을 시사한다.