应用案例等温量热仪用于研究手机发热行为( 三 ) _应用案例等温量热仪用于研究

但凡事既有一弊，必有一利，同样的现象对热电发电却会带来好处。热电材料可以直接将热能转化为电能，被散射掉的声子越多，意味着越少的热量流失，因此会大大提高热电装置的效率和性能。
热电材料具有非常广阔的应用范围，其中包括了热量探测仪和NASA最新提出用于太空探测设备的核电池。
声子被电子散射的现象并不是什么新发现，但是长期以来一直被科学家们忽略，随着半导体技术的不断发展，电子的浓度变得越来越高，这种现象变得不可忽视。
科学家们必须思考如何更操控电子-声子相互作用，这样才能一方面增加热电装置的效率，而另一方面防止微电子设备发烫。
这篇论文其他作者都来自MIT，其中包括了廖浡霖的博导，MIT机械工程系主任陈刚教授。
声子和电子的碰碰车游戏
无论是在晶体管（半导体材料，如硅）还是导线（导体材料，如铜）中，电子都是电流运动的主要媒介。电阻之所以会存在，主要原因是电子流动时会遇到路障——携带热能的声子会与电子碰撞，将其弹出电流的路径外。
很久以来，科学家就在研究电子-声子相互作用所带来的各种影响，但侧重点主要集中于电子，而没有太关注这种相互作用是如何影响声子的。
“科学家很少研究这个相互作用对声子的影响，因为他们认为这个效应不重要，”廖浡霖说道，“但是牛顿第三定律告诉我们，每个力都有一个反作用力。只是我们不知道在什么情况下反作用力才会变得重要。”
散射，散热难以两全
根据廖浡霖和同事先前的计算，当电子浓度超过每立方厘米1019个时，在硅（半导体材料最常用到的物质）中电子和声子的相互作用会对声子产生巨大的散射作用。当电子浓度到达每立方厘米1021个时，材料的散热能力将因声子的散射而降低50% 。
“这是相当显著的效应，但很多人却对此存疑，”廖浡霖说道。
这主要是因为在之前用到高浓度电子材料的实验中，科学家们都假设散热能力的下降不是因为电子-声子相互作用，而是由于材料的缺陷造成的。
这些缺陷的存在是因为人们对材料进行了掺杂（doping），以硅为例，磷和硼是常用的掺杂原子，目的是为了增加材料的电子浓度。
因此，要验证廖浡霖的理论，就必须分离电子-声子相互作用和缺陷对散热能力造成的影响。具体的实施方法就是，提高材料中的电子浓度，但不能引入任何缺陷。
研究小组发展了一种称作“三脉冲声光波谱”（three-pulse photoacoustic spectroscopy）的技术，通过光学的方法精确地在硅晶体薄膜中增加电子的浓度，并测量材料中的对声子产生的任何影响。
这个技术是对传统的“二脉冲声光波谱”（two-pulse photoacoustic spectroscopy）的扩展，在传统的方法中，科学家们通过精确调控，对材料发生两束定时精准的激光。第一束激光在材料中产生声子脉冲，第二束则用来测量声子脉冲的散射或衰减。
廖浡霖引入了第三束激光，这样就能精确地增加硅材料中的电子浓度而不引入任何缺陷。在发射了第三束激光后，测量结果显示，声子脉冲衰减时间明显缩短，这表明了电子浓度的增加了声子的散射并抑制了它的活动。
实验结果显示，第三束激光的引入会造成声子脉冲衰减时间的缩短，激光的强度越大（电子的浓度越高），声子脉冲的衰减时间就越短。
这个结果让廖浡霖团队非常兴奋，因为这很好地吻合了他们之前的计算结果。
“我们现在可以确定效应确实非常明显，而且我们在实验中证实了它，”廖浡霖说道，“这是首个可以直接探测电子-声子相互作用对声子的影响的实验。”