Ongeacht de grootte van mobiele telefoons of computers, de manier waarop dergelijke elektronische apparaten werken, is afhankelijk van de interacties tussen materialen. Om deze reden, zowel ingenieurs als onderzoekers moeten precies weten hoe specifieke chemische elementen in een computerchip of een transistordiode zich gedragen, en wat er gebeurt als deze elementen zich hechten. Natuurkundigen van de Friedrich Schiller Universiteit Jena, Duitsland, hebben nu een innovatieve methode ontwikkeld waarmee ze verschillende soorten informatie tegelijkertijd kunnen verkrijgen uit het binnenste van een bouwsteen op nanoschaal - en dit terwijl het zich in de actieve staat bevindt. De onderzoekers van Jena en hun partners hebben hun bevindingen gerapporteerd in het huidige nummer van het vakblad wetenschappelijke vooruitgang .

"Met onze methode we kunnen tegelijkertijd informatie verkrijgen over de samenstelling van de elementen - de fractie tussen de elementen; over hun oxidatiegraad, wat hun valentiestaat of de aard van de band betekent; en tenslotte, over interne elektrische velden die zo zijn ontstaan, " legt Prof. Dr. Carsten Ronning van de Universiteit van Jena uit. "Dit zijn allemaal elementaire indicatoren voor de functie van het onderdeel, " voegt Ronning toe, die het project leidt. Echter, in de procedure ontwikkeld door de natuurkundigen, de onderzochte componenten hoeven niet uitvoerig te worden voorbereid of mogelijk zelfs vernietigd. "In principe, we kunnen de diodes van een mobiele telefoon röntgenstralen terwijl deze is ingeschakeld, zonder het te beschadigen, ’ zegt Ronning.

Röntgenstraal van de deeltjesversneller

Een beslissend kenmerk van de onderzoeksaanpak is een zeer fijn gefocuste röntgenstraal, waarmee de natuurkundigen van Jena aanvankelijk röntgenfoto's maakten van een apparaat dat speciaal voor hun experimenten was gemaakt. "We hebben arseen- en galliumatomen geïntroduceerd in een siliciumdraad van ongeveer 200 nanometer dik. Bij verhitting deze atomen agglomereren op een gegeven moment, Het is te zeggen, ze masseren samen, die een functionele component produceert, " legt prof. Ronning uit. "Vervolgens lieten we een 50 nanometer brede röntgenstraal langs de draad lopen, dus bestraalt het beetje bij beetje."

De onderzoekers stelden vast dat dit arrangement mengsel van materialen, vergelijkbaar met een zonnecel, zette de röntgenstralen om in elektrische stroom, die maar in één richting stroomde, als in een diode. Op deze manier, de onderzoekers maakten de essentiële interne elektrische velden zichtbaar. In aanvulling, het onderdeel straalde licht uit. "De röntgenstralen prikkelen de atomen in de bouwsteen, die een karakteristieke straling uitzenden, " legt Dr. Andreas Johannes uit, die de experimenten heeft uitgevoerd. "Op deze manier, we krijgen een spectrum, die ons waardevolle informatie geeft over de aanwezige individuele elementen en hun relatieve verhoudingen." Als de energie van de röntgenstralen verandert, zogenaamde röntgenabsorptiespectra worden geproduceerd die onderzoekers in staat stellen uitspraken te doen over de oxidatiegraad van de elementen - en bij uitbreiding, over de obligaties zelf.

"Nutsvoorzieningen, het is mogelijk om al deze soorten informatie door één meting te verkrijgen door gebruik te maken van onze methode, " zegt Andreas Johannes. Hoewel vergelijkbare resultaten mogelijk zijn met behulp van elektronenmicroscopie, in deze gevallen, de apparaten moeten speciaal worden voorbereid en eventueel worden vernietigd, daar de indringdiepte van de elektronenbundel aanzienlijk beperkter is. Bovendien, dergelijke metingen kunnen alleen plaatsvinden in een vacuüm, terwijl de röntgenmethode vrijwel onafhankelijk is van een specifieke omgeving.

Tot nu, zulke smalle röntgenstralen konden alleen worden gegenereerd door deeltjesversnellers, daarom werken de natuurkundigen van de Jena University nauw samen met de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, Frankrijk, om de nieuwe meetmethode te ontwikkelen. Deze faciliteiten zijn beschikbaar voor zowel wetenschappelijke onderzoekers als de industrie om bestaande componenten met grotere precisie te röntgenstralen, en bovenal, om nieuwe combinaties van materialen uit te proberen om zo beter presterende componenten te creëren. "Bijvoorbeeld, onze methode kan van waarde zijn bij het ontwikkelen van nieuwe batterijen, ", zegt Andreas Johannes. "Omdat onderzoekers deze ook willen onderzoeken, vooral tijdens gebruik en volledig operationeel, bijvoorbeeld om de oxidatiegraden van de elementen te bepalen."