Pumpen, Messen und Modellieren atomarer Vibrationen im Elektronenmikroskop

Das PuMMAVi-Projekt wird einen kostengünstigen Aufbau zur Fokussierung langwelliger Infrarotstrahlung (LWIR) auf eine Probe im Elektronenmikroskop entwickeln, um Phononen mit hoher räumlicher Auflösung zu pumpen und zu detektieren. Zusammen mit speziellen Nanodraht-Proben und modernster Modellierung wird dies ein tiefes Verständnis des phononendominierten Wärmetransports in quasi-eindimensionalen Systemen ermöglichen, was direkte Auswirkungen auf die Wärmeableitung in Leuchtdioden auf Nanodrahtbasis und die Rolle von Defekten in diesem Prozess hat.
PuMMAVi wird Schwingungsphänomene in GaN- und AlN-basierten Nanodrähten erforschen, die im Rahmen von Anwendungen für sichtbare und ultraviolette (UV) Leuchtdioden (LED) von aktuellem Interesse sind, aber auch ein Modellsystem für ein besseres Verständnis des Phononentransports und der Wechselwirkung im Allgemeinen darstellen. Zu diesem Zweck wird ein Prototyp eines in-situ Injektionssystems für polarisiertes LWIR (und auch sichtbares Licht) entwickelt, das in ein NION HERMES Mikroskop integriert wird.
Die spektrale Auflösung der Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie (EELS) in einem solchen Elektronenmikroskop hat kürzlich 5meV erreicht, was neuartige Möglichkeiten zur Untersuchung von Atomschwingungen in Materialien mit bisher unerreichter räumlicher Auflösung eröffnet. Um ein grundlegendes Verständnis der Phononenphysik auf der Nanoskala zu erlangen, werden wir modernste Simulationswerkzeuge auf der Grundlage von First-Principles-Methoden einsetzen und weiterentwickeln, um experimentelle EEL-Spektren quantitativ zu modellieren. Verschiedene Aspekte der Gitterdynamik in diesen Systemen werden im Rahmen von PuMMAVi experimentell und theoretisch untersucht, von Phononendispersionen in Bulk-Nitriden bis hin zu Oberflächenphonon-Polaritonen, die in defektfreien Nanodrähten auftreten, und lokalisierten Schwingungsmoden in Verbindung mit strukturellen Defekten, wie Mg-, Si- oder Eu-Dotierungen, p-n-Übergängen, Stapelfehlern oder Inversionsdomänengrenzen.
Das PuMMAVi-Projekt profitiert von der synergetischen Interaktion zwischen anspruchsvollsten Experimenten, die mit dem in Berlin installierten einzigartigen Instrument (AG SEM) durchgeführt werden, wohldefinierten defektfreien und defekthaltigen Nanodrähten, die in Grenoble (IRIG) gewachsen werden, und der herausragenden Kompetenz in der EELS-Schwingungsmodellierung in Paris (IMPMC).