Does the Boson Peak Exist in 2D Materials?
Description
Full text available on 2022-05-15
Abstract
Glass og andre uordnede materialer som polymerer er umåtelig viktige i det moderne samfunn. Å forstå deres egenskaper er derfor essensielt. Et fenomen som ofte er observert i bulk i glass er bosontoppen, en overflod av vibrasjontilstandstettheten over Debye-grensen ved lave frekvenser, som påvirker varmeledningsevnen til materialer. I de senere år har mange todimensjonale materialer sett dagens lys. Mens bosontoppen har blitt observert som et overflatefenomen på silica-glass, forblir dens eksistens i todimensjonale materialer et åpent spørsmål.
Heliumatomspredning er allerede demonstrert som en fremragende teknikk for å måle dynamikken til overflater og todimensjonale materialer. Teknikken har blitt brukt for å analysere en prøve av todimensjonalt silica-glass, et dobbeltlag av SiO2. I dette arbeidet foretas dataanalyse av flytidseksperimenter på dobbeltlagsprøven. Ved å bruke en nyvunnet metode for å hente ut Debye-Waller-faktoren fra flytidsdataene blir overflatefononspektraltettheten utvunnet. En dispersjonsløs bosontopp observeres i spektraltettheten ved 6 ± 0.5 meV og -6 ± 1.5 meV, med rimelig bevis for en andre eksitasjon ved 12 ± 2.5 meV og -12 ± 2.5 meV.
Metodens generalitet og suksess muliggjør dens bruk som en oppskrift for å lete etter bosontopper i flytidseksperimenter, og den er ikke avhenging av eksperimenter tatt ved ulike temperaturer for å finne Debye-Waller-faktoren. Metoden kan i sin tur bli utviklet til en generell metode for å bestemme Debye-Waller-faktoren fra uelastisk spredningsdata. Glasses and other vitreous materials such as polymers are immensely important in modern society. It is therefore crucial to understand their properties. One phenomenon commonly observed in the bulk of glasses is the boson peak, an excess in the vibrational density of states over the Debye limit at low frequencies, which affect the heat conductivity of materials. In recent years many two dimensional materials have seen the light of day. While the boson peak has been observed as a surface phenomenon on silica glass, whether or not it exists in two dimensional materials has remained an open question.
Helium atom scattering is already demonstrated as an excellent technique for measuring the dynamics of surfaces and two dimensional materials. The technique has been used to analyse a sample of two dimensional silica glass, a bilayer of SiO2. In this work, data analysis of time-of-flight experiments on the bilayer sample is performed. Using a novel method for extracting the Debye-Waller factor from the time-of-flight data, the surface phonon spectral density of the sample is obtained. A dispersionless boson peak is seen in the spectral density at 6 ± 0.5 meV and -6 ± 1.5 meV, with reasonable evidence for a second excitation at 12 ± 2.5 meV and -12 ± 2.5 meV.
The generality and success of the method allows for its usage as a blueprint method in the search for the boson peak in time-of-flight experiments, and it does not rely on temperature resolved measurements for determining the Debye-Waller factor. The method could in turn be developed to a universal method for determining the Debye-Waller factor from inelastic scattering data.