(Phys.org)—Leeskoppen op harde schijven, lasers in dvd-spelers, transistors op computerchips, en vele andere componenten bevatten allemaal ultradunne films van metaal of halfgeleidermaterialen. Tijdens de fabricage ontstaan ​​spanningen in dunne films. Deze beïnvloeden de optische en magnetische eigenschappen van de componenten, maar veroorzaken ook defecten in kristalroosters, en op het einde, leiden tot uitval van onderdelen. Zoals onderzoekers van de afdeling Eric Mittemeijer van het Max Planck Institute for Intelligent Systems in Stuttgart nu hebben vastgesteld, enorme spanningen in de films worden gecreëerd door een tot nu toe onbekend kwantummechanisch mechanisme, gebaseerd op een effect met de naam kwantumopsluiting. Dit effect kan spanningen veroorzaken die gelijk zijn aan duizend keer de standaard atmosferische druk, afhankelijk van dikte. Kennis hiervan kan nuttig zijn bij het beheersen van de optische en mechanische eigenschappen van dunnefilmsystemen en het vergroten van hun mechanische stabiliteit. Aanvullend, Op basis van deze kennis zouden ook zeer gevoelige sensoren kunnen worden ontwikkeld.

Films van metaal, halfgeleidermaterialen of keramiek kunnen tegenwoordig één atomaire laag per keer worden gekweekt op kristallijne substraten zoals silicium. Ondanks deze atomaire precisie, defecten treden steevast op in kristalroosters van films van slechts enkele nanometers dik; soms ontbreekt er maar één atoom in een rooster waar dat eigenlijk zou moeten zijn. Dit soort roosterdefecten kunnen de efficiëntie van zonnecellen of halfgeleiderlasers aantasten. Een reden hiervoor zijn de spanningen die in de film ontstaan. Tot nu toe, de belangrijkste reden voor deze spanningen werd beschouwd als de groei van de film op een ander materiaal, zodat het kristalrooster van de film niet samenviel met dat van het substraat. De atomaire scheidingen in de film werden dienovereenkomstig samengetrokken of uitgebreid, met een zich ontwikkelende druk- of trekspanning. Materiaalwetenschappers in samenwerking met Eric Mittemeijer, Directeur van het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen in Stuttgart, hebben nu een extra mechanisme ontdekt dat enorme spanningen kan creëren in de ultradunne films.

David Flötotto en zijn collega's ontdekten dit mechanisme toen ze de spanning in ultradunne aluminiumfilms analyseerden. Ze gebruikten hiervoor een apparaat dat precies de ene laag na de andere van aluminiumatomen op een siliciumsubstraat legt, precies zoals een bakstenen muur is gebouwd. Door eerst de spanning in één enkele laag te meten, dan in een dubbele laag, een drievoudige laag enzovoort, de onderzoekers ontdekten hoe de spanning in de aluminiumfilm veranderde na de afzetting van elke nieuwe laag. Om dit te doen, ze bepaalden hoeveel het siliciumsubstraat door deze spanning vervormde. En daarbij, ze stelden verrassend vast dat de spanning in de film met ongeveer 100 megapascal fluctueerde naarmate deze dikker werd. Ter vergelijking, de standaarddruk van de atmosfeer op zeeniveau bedraagt ​​ongeveer 0,1 megapascal.

De film zet uit en krimpt, op zoek naar het energieminimum

De basis voor dit fenomeen ligt in het feit dat de elektronen zich in een dunne film van enkele atoomlagen anders gedragen dan in een dikkere film. Door de kwantummechanica, de elementaire deeltjes worden niet alleen beschreven als deeltjes, maar ook als golven. Aangezien de dikte van films die enkele atoomlagen dik zijn slechts iets groter is dan de golflengte van elektronen, de elektronen "voelen" de grenzen van de film. Deze zogenaamde kwantumopsluiting vermindert sterk de flexibiliteit van elektronen bij het opnemen en vrijgeven van energie. De elektronen bezetten daarom alleen discrete energietoestanden.

De elektronenenergie fluctueert met de continu toenemende filmdikte. Het neemt eerst toe met de dikte, neemt dan af, neemt weer toe, enzovoort. Hierbij geldt het principe dat al het mogelijke wordt gedaan om de energie van het systeem te minimaliseren. De film zoekt diktes waarbij de elektronenenergie zo klein mogelijk is, d.w.z. de minima van deze fluctuatie. Als de film één nieuwe atoomlaag dikker wordt, het is ofwel een beetje te dik of te dun voor dit minimum. In het eerste geval, het contracteert, in het laatste geval zet het uit om de minimale energie te bereiken.

De eigenschappen van ultradunne films kunnen nu beter worden aangepast

Uitzetting of samentrekking van de filmdikte heeft tot gevolg dat het atomaire rooster evenwijdig aan de film wil uitzetten of samentrekken, respectievelijk. Omdat hij dat door zijn vaste verbinding met de ondergrond niet kan, er ontstaat een trek- of drukspanning in de film die de onderzoekers hebben gemeten. Wanneer de filmdikte is vergroot tot vijf atomaire lagen, het contracteert, en op zeven atoomlagen, het breidt zich uit. Om de gemeten spanningen te verklaren, de onderzoekers in Stuttgart ontwikkelden een model dat de theorie van vrije elektronen en de wet van Hooke combineert, zoals het bekend is, die het elastische gedrag van vaste lichamen beschrijft.

De onderzoekers zien veel mogelijke toepassingen voor hun ontdekking. "Hoe beter men begrijpt hoe spanningen zich ontwikkelen in een verdikkingsfilm, hoe beter men de groei kan beheersen en roosterdefecten kan vermijden, " zegt David Flötotto. Bovendien, de mechanische belasting in een dunne film beïnvloedt de elektrische, optische en magnetische eigenschappen. "Eigenschappen zoals deze kunnen nu beter worden afgestemd op ultradunne films, " Flötotto is overtuigd. De metingen van de spanning kunnen ook worden gebruikt om de dikte van een groeiende film heel precies te bepalen. Men zou het effect ook kunnen benutten, niet in de laatste plaats voor zeer gevoelige gassensoren. Omdat zelfs bij de afzetting van zelfs de kleinste hoeveelheden gas op het oppervlak, de energietoestand van de elektronen en daarmee de spanningen in de film worden veranderd.

Het team werkt er nu aan om het effect ook haalbaar te maken voor dikke films (in het bereik van 100 nanometer). "We werken momenteel aan het bevriezen van de toestand van de stress om ook de stress in een dikkere film te beheersen, ", zegt Flötotto. Eigenschappen zoals de mechanische stabiliteit kunnen zo worden verbeterd.