(PhysOrg.com) -- Bijna drie jaar geleden voerde een team van wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy een experiment uit waarbij lagen goud van slechts nanometers (miljardsten van een meter) dik werden verwarmd op een plat siliciumoppervlak en laat afkoelen. Ze keken verbaasd toe hoe eigenaardige kenmerken zich uitbreidden en veranderden op het scherm van hun elektronenmicroscoop, uiteindelijk bezinken in cirkels omringd door onregelmatige blaren.

De cirkels varieerden in diameter tot enkele miljoensten van een meter, en in het midden van elk was een perfect vierkant. De mysterieuze patronen deden aan niets zo veel denken als aan zogenaamde "buitenaardse" graancirkels.

Tot voor kort bleef de oorzaak van deze vreemde formaties een mysterie. Nu hebben theoretische inzichten uitgelegd wat er gebeurt, en de resultaten zijn online gepubliceerd door Fysieke beoordelingsbrieven .

Gretig smeltende legeringen

Wanneer twee vaste stoffen in precies de juiste verhoudingen worden gecombineerd, veranderingen in chemische binding kunnen een legering produceren die smelt bij een veel lagere temperatuur dan beide zelf kunnen smelten. Zo'n legering heet eutectisch, Grieks voor 'goed smelten'. De eutectische legering van goud en silicium - 81 procent goud en 19 procent silicium - is vooral nuttig bij het verwerken van halfgeleiders op nanoschaal, zoals nanodraden, evenals apparaatverbindingen in geïntegreerde schakelingen; het wordt vloeibaar bij een bescheiden 363˚ Celsius, veel lager dan het smeltpunt van ofwel puur goud, 1064°C, of puur silicium, 1414°C.

"Goud-silicium eutectische vloeistof kan veilig chiplagen aan elkaar solderen of microscopische geleidende draden vormen, door in kanalen in het substraat te stromen zonder de omgeving te verbranden, ", zegt Junqiao Wu van Berkeley Lab. "Het is vooral interessant voor het verwerken van materialen en apparaten op nanoschaal." Wu noemt het voorbeeld van silicium nanodraden, die kan worden gekweekt uit kralen van eutectische vloeistof die zich vormen uit druppels goud. De parels katalyseren de afzetting van silicium uit een chemische damp en rijden bovenop de continu langer wordende snorharen van nanodraad.

Het was een uitdaging om te begrijpen hoe en waarom dit gebeurt. Hoewel eutectische legeringen goed bestudeerd zijn als vaste stoffen, de vloeibare toestand vormt meer obstakels, die bijzonder formidabel zijn op nanoschaal vanwege de sterk verhoogde oppervlaktespanning - dezelfde oppervlaktekrachten die het moeilijk maken om ultradunne waterfilms te vormen, bijvoorbeeld, omdat ze het water in druppeltjes trekken. Op kleinere schaal neemt de verhouding van oppervlakte tot massa aanzienlijk toe, en structuren op nanoschaal zijn beschreven als vrijwel "alle oppervlakken".

Dit zijn de voorwaarden die het team onder leiding van Wu, die een faculteitswetenschapper is in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en een professor in de afdeling Materials Science and Engineering aan de University of California in Berkeley, op pad gaan om te onderzoeken, door de dunst mogelijke films van goud-silicium eutectische legeringen te creëren. Dat deden de onderzoekers door te beginnen met een substraat van puur silicium, op wiens vlakke oppervlak zich een extreem dunne barrièrelaag (twee nanometer dik) van siliciumdioxide had gevormd. Op dit oppervlak legden ze lagen van puur goud, de dikte van de ene proef tot de andere variëren van slechts enkele nanometers tot een flinke 300 nanometer. De siliciumdioxidebarrière verhinderde dat het pure silicium zich met het goud vermengde.

De volgende stap was om het gelaagde monster enkele minuten te verwarmen tot 600˚C - niet heet genoeg om het goud of silicium te smelten, maar heet genoeg om van nature bestaande gaatjes in de dunne laag siliciumdioxide te laten uitgroeien tot kleine zwakke plekken, waardoor puur silicium in contact kon komen met het bovenliggende goud. Bij de hoge temperatuur, siliciumatomen diffundeerden snel uit het substraat en in het goud, vormt een laag eutectische goud-siliciumlegering van bijna dezelfde dikte als het oorspronkelijke goud en verspreidt zich in een vrijwel perfecte cirkel vanuit het centrale gaatje.

Toen de cirkelvormige schijf van een eutectische legering groot genoeg werd, brak hij plotseling uit, verstoord door de hoge oppervlakte-energie van de goud-silicium eutectische vloeistof. Het puin werd letterlijk naar de randen van de schijf getrokken, zich eromheen opstapelen om een ​​centrale ontbloot zone van naakt siliciumdioxide achter te laten.

In het midden van de ontblootte zone, een perfect vierkant van goud en silicium bleef.

Chemie en kristallografie, geen buitenaardse wezens

De meest verrassende ontdekking van de onderzoekers was dat hoe dunner de oorspronkelijke goudlaag, hoe sneller de eutectische cirkels zich uitbreidden. De reactiesnelheid toen de goudlagen slechts 20 nanometer dik waren, was meer dan 20 keer sneller dan wanneer de lagen 300 nanometer dik waren. En terwijl op het eerste gezicht de afmetingen van de goud- en siliciumvierkanten binnen de cirkelvormige ontblote zones variabel leken, er was namelijk een strikt verband tussen de grootte van het vierkant en de grootte van de cirkel:de straal van de cirkel was altijd de lengte van het vierkant verheven tot de macht 3/2.

Hoe zijn de vierkanten daar in de eerste plaats gekomen? Ze ontstonden als zwakke plekken die de bronnen waren van de zich uitbreidende eutectische goud-siliciumcirkels; toen de cirkelvormige eutectica werd verbroken, werden de vierkanten gevuld met dezelfde eutectische, die in het midden van de ontblote zones bleef. Terwijl ze afkoelden, het goud en silicium binnen de vierkanten gescheiden, het achterlaten van scherp gedefinieerde randen die puur silicium waren; de centra waren ruwer omlijnde vierkanten van puur goud.

Door de silicium/siliciumdioxide/goudlaagcake door te snijden en met een elektronenmicroscoop zijdelings naar de structuren te kijken, de onderzoekers ontdekten dat de oppervlaktevierkanten de basis waren van omgekeerde piramides, lijkend op tanden die de dunne laag siliciumdioxide binnendringen en in de siliciumwafel zijn ingebed. De vierkanten waren vierkant, in feite, vanwege de oriëntatie van het silicium:het substraat was gesneden langs het kristalvlak dat de basis definieerde. De vier driehoekige zijden van de piramides lagen langs de laagenergetische vlakken van het kristalrooster en werden bepaald door hun snijpunten.

Wat begon als een raadselachtig fenomeen dat doet denken aan "The X Files, " indien op een aanzienlijk kleinere schaal dan de kosmische, het mysterie van de "graancirkels op nanoschaal" maakte uiteindelijk plaats voor zorgvuldige observatie en theoretische analyse - ondanks de obstakels van hoge temperaturen, nanoschaal maten, instabiliteiten van de vloeibare toestand, en extreem snelle tijdschalen.

"We ontdekten dat de reactiesnelheid bij het vormen van kleine goud-silicium eutectische vloeistoffen - en misschien ook in veel andere eutectische middelen - wordt gedomineerd door de dikte van de reagerende lagen, ", zegt Wu. "Deze ontdekking kan nieuwe routes opleveren voor de engineering en verwerking van materialen op nanoschaal."