Om een ​​metalen oppervlak te modificeren op de schaal van atomen en moleculen - bijvoorbeeld om de bedrading in computerchips of het reflecterende zilver in optische componenten te verfijnen - overgieten fabrikanten het met ionen. Hoewel het proces hightech en nauwkeurig lijkt, de techniek is beperkt door het gebrek aan begrip van de onderliggende fysica. In een nieuwe studie, Ingenieurs van Brown University hebben edelgasionenbombardementen gemodelleerd met ongekende rijkdom, lang gezocht inzicht te geven in hoe het werkt.

"Oppervlaktepatronen en spanningen veroorzaakt door ionenbundelbombardementen zijn uitgebreid experimenteel bestudeerd, maar konden tot nu toe niet nauwkeurig worden voorspeld, " zei Kyung-Suk Kim, hoogleraar engineering aan Brown en co-auteur van de studie gepubliceerd op 23 mei in de Proceedings van de Royal Society A . "De nieuwe ontdekking zal naar verwachting voorspellende ontwerpmogelijkheden bieden voor het beheersen van de oppervlaktepatronen en spanningen in nanotechnologieproducten."

Het verbeterde begrip zou de deur kunnen openen naar nieuwe technologieën, Kim zei, zoals nieuwe benaderingen om flexibele elektronica te maken, biocompatibele oppervlakken voor medische apparaten, en meer schadetolerante en stralingsbestendige oppervlakken. Het onderzoek is van toepassing op zogenaamde "FCC"-metalen zoals koper, zilver, goud, nikkel, en aluminium. Die metalen zijn kristallen die bestaan ​​uit kubische rangschikkingen van atomen met één op elke hoek en één in elk midden van de kubus.

Wetenschappers proberen het ingewikkelde proces al tientallen jaren te verklaren, en meer recentelijk zijn ze begonnen het op computers te modelleren. Kim zei dat de analyse van het Brown-team, waaronder hoofdauteur en postdoctoraal wetenschapper Sang-Pil Kim, was geavanceerder dan eerdere pogingen die gericht waren op een enkel bombardement en alleen geïsoleerde puntdefecten in het metalen substraat.

"In dit werk, Voor de eerste keer, we onderzoeken het collectieve gedrag van die defecten tijdens ionenbombardementen in termen van ion-substraatcombinaties, ' zei Kyung-Suk Kim.

Het nieuwe model onthulde hoe ionenbombardementen drie hoofdmechanismen in beweging kunnen zetten in een kwestie van biljoensten van een seconde. De onderzoekers noemden de mechanismen "dubbele laagvorming, " "groei van de metro-glijmodus, " en "uitbarsting van het adatom-eiland." Ze zijn een gevolg van hoe de binnenkomende ionen het metaal smelten en vervolgens hoe het opnieuw stolt met de ionen die er af en toe in opgesloten zitten.

Wanneer ionen het metalen oppervlak raken, ze doordringen het, nabijgelegen atomen wegslaan zoals biljartballen in een proces dat verwant is, op atomair niveau, te smelten. Maar in plaats van alleen maar weg te rollen, de atomen lijken meer op magnetische biljartballen in die zin dat ze weer bij elkaar komen, of opnieuw stollen, zij het in een andere volgorde.

Sommige atomen zijn van hun plaats verschoven. Er zijn enkele openingen in het kristal dichter bij het oppervlak, en de atomen daar trekken samen over de lege ruimte, dat zorgt voor een laag met meer spanning. Daaronder is een laag met meer atomen die erin zijn geslagen. Die opeenhoping van atomen zorgt voor compressie. Daarom zijn er nu twee lagen met verschillende niveaus van compressie en spanning. Deze "dubbele laagvorming" is de voorloper van de "groei van de metro-glijmodus" en "adatom-eilanduitbarsting".

Een kenmerk van materialen die zijn gebombardeerd met ionen, is dat ze soms een patroon van materiaal produceren dat uit het oorspronkelijke oppervlak lijkt te zijn opgedoken. Eerder, Kyung-Suk Kim zei:wetenschappers dachten dat verplaatste atomen afzonderlijk gewoon terug naar de oppervlakte zouden dobberen als vissen die worden gedood bij een onderwaterexplosie. Maar wat de modellen van het team laten zien, is dat deze moleculaire eilanden worden gevormd door hele clusters van verplaatste atomen die zich aan elkaar hechten en terug naar de oppervlakte lijken te glijden.

"Het proces is analoog aan mensen die op een metro in de voorsteden stappen, en ze komen allemaal samen naar de oppervlakte zodra de trein tijdens de ochtendspits op een station in de binnenstad aankomt, ' zei Kyung-Suk Kim.

De mechanismen, terwijl het een nieuwe verklaring biedt voor de effecten van ionenbombardement, zijn slechts het begin van dit onderzoek.

"Als volgende stap Ik zal voorspellingsmodellen ontwikkelen voor de evolutie van nanopatronen tijdens ionenbombardementen die de nanoproductieprocessen kunnen sturen, Sang-Pil Kim zei. "Dit onderzoek zal ook worden uitgebreid naar andere toepassingen zoals zachte of harde materialen onder extreme omstandigheden."