Van verf op een muur tot getinte autoruiten, dunne films vormen een grote verscheidenheid aan materialen die in het gewone leven worden aangetroffen. Maar dunne films worden ook gebruikt om enkele van de belangrijkste technologieën van vandaag te bouwen, zoals computerchips en zonnecellen. Om de prestaties van deze technologieën te verbeteren, wetenschappers bestuderen de mechanismen die ervoor zorgen dat moleculen uniform in lagen op elkaar worden gestapeld - een proces dat kristallijne dunne-filmgroei wordt genoemd. Nutsvoorzieningen, een nieuwe onderzoekstechniek zou wetenschappers kunnen helpen dit groeiproces beter dan ooit te begrijpen.

Onderzoekers van de Universiteit van Vermont, De Universiteit van Boston, en het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een nieuwe experimentele mogelijkheid aangetoond om dunnefilmgroei in realtime te bekijken. Met behulp van de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - een DOE Office of Science User Facility in Brookhaven - waren de onderzoekers in staat om een ​​"film" van dunne filmgroei te produceren die het proces nauwkeuriger weergeeft dan traditionele technieken kunnen. Hun onderzoek werd op 14 juni gepubliceerd, 2019 in Natuurcommunicatie .

Hoe dunne films groeien

Zoals het bouwen van een bakstenen muur, dunne films "groeien" door in overlappende lagen te stapelen. In dit onderzoek, de wetenschappers concentreerden zich op het groeiproces van een nanomateriaal genaamd C60, die populair is vanwege het gebruik in organische zonnecellen.

"C60 is een bolvormig molecuul met de structuur van een voetbal, " zei de natuurkundige Randall Headrick van de Universiteit van Vermont, hoofdauteur van het onderzoek. "Er is een koolstofatoom in alle hoeken waar de 'zwarte' en 'witte' vlekken elkaar ontmoeten, voor een totaal van 60 koolstofatomen."

Hoewel sferische C60-moleculen niet perfect naast elkaar passen, zoals bakstenen in een muur, ze creëren nog steeds een uniform patroon.

"Stel je hebt een grote bak en je vult hem met een laag knikkers, "Zei Headrick. "De knikkers zouden samen in een mooi zeshoekig patroon langs de bodem van de bak worden verpakt. Vervolgens, toen je de volgende laag knikkers neerlegde, ze zouden passen in de holle ruimtes tussen de knikkers in de onderste laag, een nieuwe perfecte laag vormen. We bestuderen het mechanisme dat de knikkers veroorzaakt, of moleculen, om deze bestelde sites te vinden."

Maar in het echte leven, dunne films stapelen dit niet gelijkmatig op. Bij het vullen van een bak met knikkers, bijvoorbeeld, je hebt misschien drie lagen knikkers aan de ene kant van de bak en slechts één laag aan de andere kant. traditioneel, deze niet-uniformiteit in dunne films was moeilijk te meten.

"Bij andere experimenten we konden alleen een enkel kristal bestuderen dat speciaal gepolijst was, zodat het hele oppervlak zich tegelijkertijd op dezelfde manier gedroeg, "Zei Headrick. "Maar zo gedragen materialen zich in het echte leven niet."

Dunne-filmgroei bestuderen door middel van coherente röntgenstralen

Om gegevens te verzamelen die dunnefilmgroei nauwkeuriger beschrijven, Headrick ging naar de Coherent Hard X-ray Scattering (CHX) bundellijn bij NSLS-II om een ​​nieuw soort experiment te ontwerpen, een die gebruik maakte van de coherente röntgenstralen van de bundellijn. Het team gebruikte een techniek genaamd röntgenfotoncorrelatiespectroscopie.

"Typisch, als je een röntgenexperiment doet, je ziet gemiddelde informatie, zoals de gemiddelde grootte van moleculen of de gemiddelde afstand ertussen. En naarmate het oppervlak van een materiaal minder uniform of 'ruwder' wordt, ' de functies die u zoekt verdwijnen, " zei Andrei Fluerasu, lead beamline scientist bij CHX en een co-auteur van het onderzoek. "Het bijzondere aan CHX is dat we een coherente röntgenstraal kunnen gebruiken die een interferentiepatroon produceert, die kan worden gezien als een vingerafdruk. Naarmate een materiaal groeit en verandert, zijn vingerafdruk doet dat ook."

De "vingerafdruk" geproduceerd door CHX verschijnt als een spikkelpatroon en vertegenwoordigt de exacte rangschikking van moleculen in de bovenste laag van het materiaal. Terwijl lagen zich blijven stapelen, wetenschappers kunnen de vingerafdruk zien veranderen alsof het een film is van de dunne filmgroei.

"Dat is met andere technieken niet te meten, ' zei Fluerasu.

Door computerverwerking, de wetenschappers zijn in staat de spikkelpatronen om te zetten in correlatiefuncties die gemakkelijker te interpreteren zijn.

"Er zijn instrumenten zoals microscopen met een hoge resolutie die een echt beeld kunnen maken van dit soort materialen, maar deze afbeeldingen tonen meestal slechts een beperkte weergave van het materiaal, Headrick zei. "Een spikkelpatroon dat in de loop van de tijd verandert, is niet zo intuïtief, maar het levert ons gegevens op die veel relevanter zijn voor de praktijk."

Co-auteur Lutz Wiegart, een beamline-wetenschapper bij CHX, toegevoegd, "Deze techniek stelt ons in staat om de dynamiek van groeiprocessen te begrijpen en, daarom, uitzoeken hoe ze zich verhouden tot de kwaliteit van de films en hoe we de processen kunnen afstemmen."

De gedetailleerde waarnemingen van C60 uit deze studie zouden kunnen worden gebruikt om de prestaties van organische zonnecellen te verbeteren. Vooruit gaan, de onderzoekers zijn van plan deze techniek ook te gebruiken om andere soorten dunne films te bestuderen.