(Phys.org) —De basis van veel moderne elektronische apparaten, zoals computerchips, zijn dunne films - nanoschaal-dikte lagen van het ene materiaal gegroeid op het oppervlak van een ander. Omdat consumenten producten blijven eisen die slanker en sneller zijn, inzicht in de evolutie van dunnefilmgroei zal wetenschappers helpen om dunne films op maat te maken voor nieuwe technologieën.

In sommige gevallen groeien films laag voor laag, elke laag één atoom dik, terwijl in andere gevallen atomen die op een oppervlak zijn afgezet driedimensionale eilanden vormen die groeien, botsen en samensmelten tot een continue film. In dit laatste geval, wetenschappers hebben traditioneel aangenomen dat de groeiende eilanden homogeen zijn, met vergelijkbare maten, en samensmelten ongeveer tegelijkertijd. Echter, in een recente studie, met behulp van röntgenstralen geproduceerd bij de National Synchrotron Light Source (NSLS), Onderzoekers van de Boston University (BU) onderzochten de groei van eilanden in realtime, ontdekken dat het proces dynamischer is dan de traditionele opvatting suggereert.

De groep stelde vast dat de evolutie van het eiland overeenkomt met het gedrag dat wordt voorspeld door een eenvoudig maar gedetailleerd model van de afzetting, groei, en samensmelting van vloeibare druppeltjes, bekend als het Family-Meakin (FM) -model. Bovendien, ze stellen voor dat andere soorten dunne films die door het eilandmechanisme worden gekweekt, zich tijdens de vroege groeifasen op dezelfde manier kunnen gedragen. Ze beschrijven hun werk in de 7 september, 2012, editie van Fysieke beoordelingsbrieven .

BU-fysicus Karl Ludwig legt uit:"Het is voor veel mensen verrassend dat er nog fundamentele dingen te leren zijn over een schijnbaar eenvoudig proces als driedimensionale dunnefilmgroei. zoals zo vaak voorkomt, wanneer we een nieuwe tool hebben die realtime onderzoek met ongekende details mogelijk maakt, we leren dat de werkelijkheid complexer is, en meer intrigerend, dan vaak werd aangenomen."

Bij NSLS-straallijn X21, met behulp van een onderzoekseindstation dat is ontwikkeld om materiaaloppervlakken en dunne films in realtime te bestuderen, de BU-groep deponeerde aluminium op twee oppervlakken, siliciumoxide en saffier. De monsters werden in een ultrahoge vacuümkamer geplaatst, en de dunne film werd heel langzaam afgezet, zodat de wetenschappers tijdens de groei meerdere röntgenscans van het oppervlak konden maken en de aluminiumfilm in realtime konden "kijken".

De röntgenscans suggereerden dat de afgezette atomen zich aanvankelijk verzamelden om kleine eilandjes te vormen met een diameter van slechts een paar nanometer (miljardsten van een meter) en toen begonnen samen te smelten, grotere eilanden vormen met een diameter van ongeveer 10 nm (het experiment was niet lang genoeg om de filmgroei te voltooien, maar de eilanden zouden uiteindelijk opgaan in een continue laag). Dit werd later bevestigd door atomic force microscope (AFM) beelden van het monster, genomen nadat het experiment was afgelopen en het monster uit de kamer was gehaald. Met eindhoogten van ongeveer 3 nm, de eilanden waren "sterk driedimensionaal." Inderdaad, de AFM-beelden die aan het einde van het onderzoek werden genomen, toonden relatief hoge eilanden met ongeveer halfronde vormen.

De resultaten laten verschillende manieren zien waarop de evolutie van de film overeenkomt met het gedrag van vloeistofdruppels zoals voorspeld door de FM-theorie - ook al is de film vast, niet vloeibaar. Bijvoorbeeld, de evolutie van de eilanden lijkt op elkaar, wat betekent dat de gemiddelde geometrie op een later tijdstip lijkt op die op een eerder tijdstip, maar met lengteschalen verhoogd ("geschaald") door een machtswet.

Het belangrijkste ingrediënt dat het FM-model bevat, die ontbrak in de traditionele kijk op eilandgroei, is de samensmelting van eilanden om nieuwe te vormen, compacte eilanden wanneer ze botsen. Dit leidt tot een karakteristieke morfologie die wordt waargenomen in de AFM-afbeeldingen waarin veel kleinere eilanden zijn verspreid over grotere eilanden die zich vormen als de kleine samenkomen. Een dergelijke samensmelting zou een wijdverbreid fenomeen moeten zijn voor kleine eilanden op oppervlakken, en begrip hiervan zou kunnen leiden tot een betere controle van ultradunne films voor technologisch gebruik.