Als wetenschappers over kristallen praten, bedoelen ze vaak enkele kristallen. Deze sterk geordende structuren bestaan ​​uit atomen, moleculen of ionen die in een repetitief, driedimensionaal patroon zijn gerangschikt. Omdat hun zich herhalende bouwsteeneenheden regelmatig zijn en netjes op elkaar worden gestapeld, zijn enkele kristallen vaak sterk, uniform en gemakkelijk te karakteriseren.

Maar de natuur levert zelden perfecte enkele kristallen. In plaats daarvan bestaan ​​materialen vaak als polykristallijne aggregaten, een mengelmoes van kleinere, willekeurig georiënteerde enkele kristallen.

Die ongelijkheid is van belang omdat de eigenschappen van een materiaal sterk afhangen van hoe de atomen of moleculen ervan samenkomen. De prestaties van siliciumzonnecellen en LED's zijn bijvoorbeeld afhankelijk van de grootte en oriëntatie van de kleine enkele kristallen van het materiaal.

Nu beschrijven onderzoekers in het tijdschrift ACS Nano hoe ze de groei van kristallen filmden. Het team, onder leiding van Yassar Dahman van de Universiteit van Virginia, gebruikte een microscopiemethode die bekend staat als atoomkrachtmicroscopie om te kijken hoe kleine kristallen op een siliciumsubstraat kiemen.

Atoomkrachtmicroscopen gebruiken een scherpe cantilever, vergelijkbaar met die van een scanning-sondemicroscoop, om het oppervlak te scannen. Terwijl de cantilever over een monster beweegt, wordt de verticale positie indien nodig aangepast om een ​​constante kracht tussen de punt en het oppervlak te behouden. De resulterende gegevens kunnen vervolgens worden gebruikt om te bepalen hoe de oppervlaktetopografie tijdens de scan varieert.

De groep stelde hun instrument in om elke 2 milliseconden een gebied van iets groter dan 2 micrometer aan een kant te scannen – een proces dat ze ruim een ​​half uur volhielden. De video van de onderzoekers laat zien hoe kristallijne eilanden op nanometerschaal zich op het substraat vormen. De video laat ook zien dat de eilanden snel groeien, met elkaar versmelten en over het oppervlak bewegen terwijl het materiaal zichzelf herschikt, en uiteindelijk grotere en perfectere kristallen vormt.

“Je kunt een kern van een klein eiland zien, die begint te groeien en uiteindelijk een ander eiland raakt en ermee samensmelt”, zegt Dahman.

Dahman merkt op dat de tijdschaal van de film ordes van grootte sneller is dan die van andere technieken die worden gebruikt om de beweging van atomen op oppervlakken in beeld te brengen, zoals scanning tunneling microscopie. “Wat we hier laten zien is heel anders dan wat we zien met die technieken, die statische beelden tonen omdat ze heel langzaam het oppervlak aftasten”, zegt hij. “We zien een film in plaats van een stilstaand beeld.”

De techniek laat ook zien dat de eilanden aanvankelijk verschillende structuren hebben, maar dat de meest stabiele structuur het overneemt naarmate de kristallen groter worden, zegt Dahman. “De stabielere structuur is degene met de lagere oppervlakte-energie”, legt hij uit.

Dahman zegt dat het team de nieuwe microscopiemethode hoopt te gebruiken om te bestuderen hoe verschillende materialen in realtime groeien, om meer te leren over waarom materialen specifieke kristalstructuren aannemen en om betere materialen voor verschillende toepassingen te ontwerpen.

Matthew J. Highland van de Universiteit van Chicago, die niet bij het onderzoek betrokken was, zegt dat het werk ‘zeer intrigerend’ en ‘opwindend’ is.

“Het vermogen om de evolutie van de kristalgroei in situ op nanoschaal waar te nemen is van grote waarde voor het veld”, zegt hij. En hoewel de onderzoekers kristallen in beeld brachten die op silicium groeiden, merkt Highland op dat “deze techniek evengoed toepasbaar is op een verscheidenheid aan andere materiaalsystemen, waaronder organische halfgeleiders, metaaloxiden en zelfs biomoleculen.”