Thermischer Transport in Nanostrukturen (Projekt A02 SFB 1073)


Die Abbildung veranschaulicht mit viel künstlerischer Freiheit die grundsätzliche Fragestellung in diesem Projekt. Man sieht einen Ausschnitt aus einem Multilagensystem, welches von der Oberfläche her erwärmt wird. Der Temperaturgradient führt zu einem Wärmetransport in Richtung Substrat (rot). Dieser wird in Metallen (gelb) durch Elektronen und Phononen getragen. In Isolatoren (blau) hingegen fallen die Elektronen weg. Wir untersuchen thermischen Transport in Multilagensystemen, die Metalle, Isolatoren und Halbleiter kombinieren. Wir verfolgen verschiedene Ansätze um die Wärmediffusion zu manipulieren.

a) Kohärente Kontrolle: Betrachtet man die Phononen als kohärente Welle, die sich im ganzen Festkörper ausbreitet, so ist zu bemerken, dass in periodischen Systemen das Phononenspektrum direkt manipuliert wird. Ein künstliches Übergitter führt zu Bandlücken im Spektrum, an deren Rändern die Dispersion abflacht und die Zustandsdichte stark zunimmt. Als Folge tragen Phononen aus diesen Bereichen besonders stark zum Wärmetransport bei.

b) Inkohärente Kontrolle: Betrachtet man individuelle Phononen in den Schichten jeweils separat, so bestimmen die unterschiedlichen akustischen Eigenschaften der Schichten und die spezifischen Eigenschaften der Grenzfläche die Transmission bzw. Reflektion dieser Phononen an der Grenzfläche. Bezüglich des inkohärenten Phononenensembles, welches als Wärme durch die Probe diffundiert, führt der mit dem Transmissionsverhalten verbundene thermische Grenzflächenwiderstand zu einem Temperatursprung an der Grenzfläche.
Die zu untersuchenden Multilagenschichten werden mittels Pulsed-Laser-Deposition (AG Krebs, Materialphysik) hergestellt, und in einem optischen Experiment untersucht (AG Münzenberg, Uni Greifswald). In diesem Experiment werden zunächst energiereiche fs-Laserpulse auf die Probe fokussiert. Die Probe wird dadurch lokal an der Oberfläche erwärmt. Die Temperaturerhöhung löst zudem über die thermische Ausdehnung einen Spannungspuls aus, der elastische Dynamik anregt. Der Zustand der Probe wird durch einen zweiten Laserpuls geringerer Energie, der zeitverzögert auf die Probe trifft, abgefragt. Die Reflektion dieses zweiten Pulses hängt u.a. in erster Näherung linear von der Temperatur ab. Somit erhalten wir aus der Messung der Reflektivität Information über die thermische Diffusion.