Interaction of phonons with spherical nanoparticles embedded densely in simple crystalline matrix. Case of nitrogen-palladium nanocomposite

Анотація

Наведено результати експериментальних досліджень теплопровідності нанокомпозитів зі сферичних наночастинок паладію, які вбудовані у структуру кристалічного азоту. Дослідження здійснено на зразках, що містили наносфери Pd діаметрами 6, 8, 10, 12, 18 та 24 нм при частці паладію 15% від об’єму нанокомпозиту. Вимірювання проведено методом стаціонарного теплового потоку в інтервалі температур 2–35 К. Для аналізу результатів експерименту використовували апроксимацію часу релаксації в рамках моделі Дебая теплопровідності. Аналіз показує, що фонони азотної матриці можуть ефективно взаємодіяти зі сферичними наночастинками принаймні за чотирма різними механізмами. Два з цих механізмів: дифузне розсіювання на межі двох середовищ (якими є матриця та матеріал наночастинки) та результат коливальної взаємодії фононів наночастинки з фононами матриці, призводять до зменшення теплопровідності нанокомпозиту. Інші два механізми розглядатимуться як процеси нетермічного резистивного розсіювання: перший — це дзеркальне розсіювання матричних фононів матрицею та поверхнею матеріалу наночастинок. Другий — це пряме розсіювання, при якому матричний фонон проникає в наночастинку, а потім проникає в іншу без будь-якої резистивної взаємодії з фононами кристалічної матриці. Аналіз показує, що в досліджених нанокомпозитах нерезистивні процеси зустрічаються значно частіше, ніж резистивні. Такий висновок повністю узгоджується з результатами аналізу довжини вільного пробігу фононів у композиті кристал азоту–наносфери паладію.