De beweging van atomen door een materiaal kan onder bepaalde omstandigheden voor problemen zorgen. Elektronenmicroscopie met atoomresolutie heeft onderzoekers van de Universiteit van Linköping in Zweden in staat gesteld voor het eerst een fenomeen waar te nemen dat materiaalwetenschappers al tientallen jaren is ontgaan. De studie is gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten .

In sommige contexten, het is uiterst belangrijk dat grenzen worden gehandhaafd. Een voorbeeld is binnen de dunne-filmtechnologie, die gebruik maakt van extreem dunne films van verschillende materialen die op elkaar zijn gestapeld. De thermisch geïnduceerde beweging van atomen door een materiaal, verspreiding, is bekend. Al in de jaren vijftig werd een specifiek soort diffusie langs lineaire defecten in een materiaal voorgesteld, maar is sindsdien een theoretisch concept gebleven en onderzoekers hebben het nooit direct kunnen observeren. In plaats daarvan, theoretische modellen en indirecte methoden worden vaak toegepast om dat fenomeen te meten, dislocatie-pijpdiffusie genoemd.

Onderzoekers van Linköping University en de University of California in Berkeley hebben nu eindelijk de migratie van atomen tussen de lagen van een dunne film kunnen waarnemen. Ze gebruikten scanning transmissie-elektronenmicroscopie (STEM) met een zo hoge resolutie dat het mogelijk was om de posities van individuele atomen in het materiaal in beeld te brengen. Het exemplaar dat ze bestudeerden was een dunne film waarin lagen van een metaal, hafniumnitride (HfN), ongeveer 5 miljardste van een meter dik, afgewisseld met lagen van een halfgeleider, scandiumnitride (ScN).

De eigenschappen van de HfN/ScN-lagen maken dit materiaal een geschikte kandidaat voor gebruik in, bijvoorbeeld, coatingtechnologie en micro-elektronica. Het is om stabiliteitsredenen erg belangrijk dat de lagen metaal en halfgeleider niet vermengen. Er ontstaan ​​problemen als de atomen diffunderen over een tussenlaag en een gesloten brug vormen tussen de lagen in de film, vergelijkbaar met een elektrische kortsluiting.

"Het materiaal dat we hebben bestudeerd, fungeert als een perfect modelsysteem, maar dit type diffusie komt voor in bijna alle materialen. Metalen en halfgeleiders zijn te vinden in alle elektronische componenten die worden gebruikt in mobiele telefoons, computers, enz. Daarom is het belangrijk dat materiaalwetenschappers dit soort diffusie begrijpen, " zegt Magnus Garbrecht, universitair hoofddocent bij de afdeling Natuurkunde, Scheikunde en biologie aan de Universiteit van Linköping.

De in het artikel beschreven ontdekking kwam tot stand toen Magnus Garbrecht HfN/ScN verhitte tot 950 °C. Hij merkte op dat het hafnium naar de onderliggende lagen diffundeerde. Het bleek dat er een defect aanwezig was in het materiaal waar dit fenomeen ontstond. De onderzoekers verhitten het materiaal meerdere keren en onderzochten het vervolgens met STEM en maten hoe ver individuele atomen bewogen.

"De waarden die we hebben gemeten komen goed overeen met die van eerdere experimenten met indirecte methoden en met de theoretische modellen, en dit geeft ons het vertrouwen dat wat we zien echt dislocatie-pijpdiffusie is, ', zegt Magnus Garbrecht.

De onderzoekers geven een verklaring waarom de atomen diffunderen als het materiaal wordt verwarmd. De individuele atomen zijn enigszins verschoven ten opzichte van elkaar in de gebieden rond de lineaire defecten. De atomen hebben de neiging zichzelf in een perfecte kubieke symmetrie te rangschikken, en spanning bouwt zich op binnen het rooster wanneer deze opstelling wordt verstoord. De onderzoekers laten in het onderzoek zien dat deze stam ontspant als de atomen diffunderen.

"De diffusie vermindert de spanning in het materiaal en daarom komt het alleen voor langs de lineaire defecten die door het materiaal lopen, ', zegt Magnus Garbrecht.