Europium-silicide trekt al enige tijd de aandacht van wetenschappers. Erkend als veelbelovend voor elektronica en spintronica, dit materiaal is onlangs ingediend door een team van natuurkundigen uit Polen, Duitsland en Frankrijk tot uitgebreide studies van de trillingen van het kristalrooster. De resultaten leverden een verrassing op:afgezet op een substraat van silicium, sommige structuren van europiumsilicide lijken te trillen op een manier die de mogelijkheden voor het ontwerpen van nanomaterialen met op maat gemaakte thermische eigenschappen duidelijk verbreedt.

De trillingen van atomen in de kristalroosters van materialen, bekend als fononen, zijn niet chaotisch. In plaats daarvan, ze worden beheerst door de roostersymmetrie, atoommassa en andere factoren. Bijvoorbeeld, de atomen diep in de vaste stof oscilleren anders dan op het oppervlak, en nog anders wanneer het materiaal zich vormt, bijvoorbeeld, nano-eilanden d.w.z. kleine atomaire clusters op een substraat. Een internationaal team van natuurkundigen, samengesteld uit wetenschappers van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau, het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) en de European Synchrotron (ESRF) in Grenoble, hebben voor het eerst uitgebreid onderzocht hoe de trillingen van het kristalrooster van europiumsilicide (EuSi2) veranderen afhankelijk van de nanostructuren op een substraat van silicium. Het onderzoek leverde opmerkelijke resultaten op:een nieuw type trilling werd waargenomen in het monster waarin de EuSi2-nano-eilanden met elkaar in contact waren.

"Normaal gesproken betekent nano-engineering het modificeren van materiaal op een schaal van nanometers, of miljardsten van een meter. Het onderzoek naar europiumsilicide waaraan we deelnamen, stelt ons in staat iets meer te bieden:fonon-nano-engineering, d.w.z. techniek waarbij niet zozeer de structuur van het materiaal zorgvuldig is ontworpen als de trillingen van atomen in het kristalrooster, " zegt Dr. Przemyslaw Piekarz (IFJ PAN).

Europium silicide vormt een kristal, waarin elk europiumatoom is omgeven door 12 siliciumatomen. Het systeem vertoont wat bekend staat als tetragonale symmetrie:de afstand tussen atomen in één richting is anders dan in de twee overige richtingen. Deze metaalverbinding bindt gemakkelijk aan silicium, en heeft ook een recordbrekend lage zogenaamde Schottky-barrière (d.w.z. de barrière van potentiële energie-elektronen die ze tegenkomen bij hun overgang van het metaal naar silicium). Dergelijke materialen zijn tegenwoordig van belang met het oog op hun potentiële toepassing in nano-elektronische systemen, bijvoorbeeld, in MOSFET-technologie die wordt gebruikt bij de productie van moderne processors. Echter, bij lage temperaturen vertoont EuSi2 ook interessante magnetische eigenschappen, wat het aantrekkelijk maakt voor de opvolger van de elektronica - spintronica.

Hoewel verbindingen van zeldzame aardmetalen en silicium een ​​fundamentele rol spelen bij warmtetransport, onder andere, hun roostertrillingen zijn tot op heden niet uitgebreid bestudeerd. In de tussentijd, in nano-elektronische systemen waar warmte in grote hoeveelheden wordt gegenereerd, thermische eigenschappen van een materiaal werden net zo belangrijk als de magnetische of elektrische eigenschappen.

Een groep onder leiding van Dr. Svetoslav Stankov (KIT, Duitsland) heeft een procedure ontwikkeld voor de bereiding van epitaxiale EuSi2-nanostructuren door afzetting, in ultrahoge vacuümomstandigheden, kleine hoeveelheden europium-atomen op een verwarmd substraat van monokristallijn silicium. Bovendien, door zorgvuldige aanpassing van de temperatuur van het substraat en de hoeveelheid europium-atomen waren ze in staat om de morfologie van de bereide EuSi2-nanostructuren op het siliciumoppervlak aan te passen.

"In dit experiment hebben we onze aandacht gericht op de vorming van vier europiumsilicidemonsters:een uniforme film, die als een vast kristal kan worden beschouwd, een strak geplooide film, en twee verschillende samenstellingen van nano-eilanden, " legt Dr. Stankov uit en voegt eraan toe:"Een nano-eiland is een afzonderlijk cluster van zelf-georganiseerde atomen op een oppervlak met afmetingen van enkele tientallen nanometers met een hoogte van een tiental nanometers. Het bleek dat vooral de monsters interessant zijn waarin de EuSi2-nano-eilanden volledig van elkaar zijn geïsoleerd en die waar de nano-eilanden in nauw contact met elkaar staan."

De monsters werden door de KIT-groep bereid in het ultrahoogvacuümsysteem bij de kernresonantiebundellijn van de ESRF-synchrotron in Grenoble en in situ onderzocht door nucleair inelastische verstrooiing (NIS).

"NIS is een state-of-the-art methode voor directe meting van het energiespectrum van atomaire trillingen van nanomaterialen met een zeer hoge resolutie. Bij deze experimentele techniek wordt het monster belicht met hoogenergetische fotonen, zodanig geselecteerd dat hun absorptie door atoomkernen een bepaald soort roostertrillingen opwekt of vernietigt, waardoor de elementspecifieke fonon dichtheid van toestanden, " voegt dr. Stankov toe.

Theoretische studies aan de IFJ PAN werden ab initio uitgevoerd, gebaseerd op de fundamentele wetten van de kwantummechanica en statistische fysica, met behulp van PHONON-software geschreven door Prof. Krzysztof Parlinski (IFJ PAN). De groep van Krakau hield zich niet alleen bezig met het modelleren van de trillingen van het kristalrooster van structuren van europiumsilicide, maar ook het bepalen van de voorwaarden voor het uitvoeren van experimenten in de ESRF-synchrotron.

"In Grenoble werden alleen de trillingsenergieën van europium-atomen geregistreerd. De krommen verkregen uit de metingen kwamen goed overeen met onze berekeningen voor het vaste kristal en het oppervlak. We zouden deze gegevens kunnen aanvullen met onze voorspellingen voor de bewegingen van siliciumatomen, die hielpen om de resultaten beter te interpreteren, " zegt prof. Parlinski.

Bijzonder interessante resultaten werden verkregen voor de monsters met nano-eilanden. In het geval van een substraat bedekt met discrete nano-eilanden werd een significante toename van de trillingsamplitude van europiumatomen waargenomen, tot 70% ten opzichte van de trillingen in het kristal. Een dergelijke grote stijging vertaalt zich in aanzienlijk grotere mogelijkheden op het gebied van warmteoverdracht. Het meest interessante effect verscheen, echter, in het monster met aan elkaar grenzende nano-eilanden. Namelijk, extra trillingen met een karakteristieke energie werden gevonden op de interfaces tussen de nano-eilanden. Hoewel eerder theoretisch voorspeld, hun bestaan ​​werd voor het eerst experimenteel bevestigd. Ze vormen een andere 'poort' waardoor materiaal warmte kan afgeven aan de omgeving. Door de aangrenzende nano-eilanden wordt een significante verhoging van de efficiëntie van warmteoverdracht in nanostructuren een realiteit.

"Bij de analyse van materialen kijken wetenschappers meestal naar de eigenschappen van een monster met vaste morfologie. We hebben een heel spectrum van mogelijke oppervlaktemorfologieën van EuSi2 beschreven. Een geavanceerd theoretisch model en nauwkeurige metingen hebben ons voor het eerst in staat gesteld om precies te traceren hoe de trillingen van het kristalrooster van een nanomateriaal veranderen afhankelijk van de plaatsing op het substraat, " benadrukte Dr. Piekarz.

Het onderzoek naar europium silicide nanostructuren, gefinancierd door de Helmholtz Vereniging, het Karlsruhe Institute of Technology (project VH-NG-625) en aan Poolse zijde door de HARMONIA-subsidie ​​van het Polish National Science Centre, is van elementaire aard. Echter, de opgedane kennis, vooral met betrekking tot de kristalroostertrillingen die optreden op het grensvlak tussen aangrenzende nano-eilanden en de daarmee samenhangende drastische veranderingen in het warmtetransport, universeel is. Na een passende aanpassing, dit fenomeen stelt onderzoekers in staat om andere nanomaterialen dan europiumsilicide te ontwerpen met op maat gemaakte thermische eigenschappen.