[论文解读] 2D phononic crystals: Disorder matters

Markus R. Wagner, Bartłomiej Graczykowski+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2015

Acoustic Wave Phenomena Research被引用 4

一句话总结

本研究探讨了无序性和表面粗糙度对二维硅声子晶体中高声速及热声子特性的影响。通过超快光谱学与拉曼测温技术，研究发现无序性改变了GHz频段的声子色散关系与相干性，但并未改变室温下的热导率，从而提出了一种基于粗糙度与无序性参数的声子相干性预测准则。

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.

研究动机与目标

• 通过实验研究结构无序性和表面粗糙度对二维声子晶体声子特性的影响。
• 阐明无序性是否在硅基纳米结构中对高声速声子与热输运产生不同影响。
• 基于无序性和表面粗糙度参数，建立声子相干性的预测准则。
• 利用先进光谱技术，对比填充分数相同的有序与无序二维声子晶体晶格。

提出的方法

• 制备具有二维圆形孔阵列的自由悬挂硅膜，系统性地改变其从有序到无序的晶格结构，保持填充分数一致。
• 采用异步光学采样（ASOPS）技术进行超快泵浦-探测光谱测量，以探测GHz频段的高声速声子。
• 采用一种新颖的双激光拉曼测温技术，测量THz频段的热学性质。
• 利用有限元法（FEM）模拟声子色散关系与三维位移场，以识别并表征高声速振动模式。
• 将实验数据与FEM模拟结果相关联，以唯一确定观测到的声子模式并评估相干性效应。
• 对表面粗糙度与短程无序进行定量分析，推导出声子相干性的预测模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在二维声子晶体中，结构无序如何影响GHz频段高声速声子的色散关系与相干性？
• RQ2 表面粗糙度是否在不改变室温热导率的前提下影响声子相干性？
• RQ3 短程无序与表面粗糙度在多大程度上改变了高声速频段的声子行为？
• RQ4 有限元模拟能否在无序二维声子晶体中唯一识别高声速振动模式？
• RQ5 基于可测量的无序性与粗糙度参数，哪些标准可预测声子相干性？

主要发现

• 表面粗糙度与短程无序改变了高声速（GHz）频段的声子色散关系，表明声子传播特性发生了改变。
• 即使室温热导率保持不变，声子相干性仍显著受到无序性与粗糙度的影响。
• 有限元模拟成功识别并区分了不同的高声速振动模式，从而实现了对实验数据的精确解释。
• 本研究建立了一个基于表面粗糙度与无序性参数的声子相干性预测准则。
• 超快泵浦-探测光谱与双激光拉曼测温技术在GHz与THz频率范围内提供了互补的声子动力学洞察。
• 尽管声子色散关系发生变化，热导率却未改变，凸显了该体系中热输运与高声速声子相干性之间的解耦特性。