Wetenschappers van Argonne onthullen verbindingen als zich kristallijne lagen vormen.

Begrijpen hoe kristallen groeien, heeft invloed op brede gebieden van materiaalwetenschap, van het ontwikkelen van betere micro-elektronica tot het ontdekken van nieuwe materialen. Op atomair niveau, kristallen kunnen op verschillende manieren groeien, en wetenschappers hebben onlangs een intrigerend gedrag ontdekt dat verband houdt met een veel voorkomende manier waarop kristallen groeien.

In deze vorm van kristalgroei, genaamd ""laag voor laag, " het oppervlak van het kristal begint erg glad op atomair niveau. Nieuwe atomen die op het oppervlak aankomen, hebben de neiging om rond te schaatsen totdat ze elkaar vinden. Wanneer dit gebeurt, ze beginnen een nieuwe laag van één atoom dik te vormen door samen te voegen, het creëren van een vlak gebied dat bekend staat als een eiland. Naarmate er meer atomen komen, extra eilanden vormen op andere plaatsen op het oppervlak. Uiteindelijk bedekken de groeiende eilanden het hele oppervlak, samensmelten om een ​​nieuwe atoomlaag te vormen.

"Als we begrijpen hoe kristallen in deze modus groeien, kunnen we misschien enkele van de mechanismen achter defectvorming beter begrijpen, en technieken ontwikkelen om nieuwe soorten kristallen te synthetiseren, " zei Peter Zapol, Argonne materiaalwetenschapper.

In een nieuwe studie van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), wetenschappers hebben ontdekt dat de schijnbaar willekeurige rangschikking van eilanden die zich vormen om nieuwe lagen te beginnen, in feite van laag tot laag erg op elkaar kan lijken.

Met behulp van coherente röntgenverstrooiingstechnieken om het kristaloppervlak op atomaire schaal te observeren tijdens kristalgroei, de onderzoekers waren in staat om de exacte rangschikking van de eilanden te karakteriseren zoals ze zich vormen, of "nucleaat, " in elke laag van het kristal.

"Je kunt aan wat we doen, denken aan zoiets als pannenkoeken bakken in een pan, " zei Argonne Distinguished Fellow en studieauteur Brian Stephenson. "Als we willekeurig meer atomair beslag toevoegen, ' onze pannenkoekeneilanden beginnen samen te lopen en samen te smelten. Het interessante is dat elke keer dat we een nieuwe laag laten groeien, het patroon van pannenkoeken herhaalt het patroon van de originele laag."

Een belangrijke overweging die Stephenson opmerkte, is dat de kiemvorming van nieuwe eilanden niet werd beïnvloed door defecten in de kristalstructuur - dat wil zeggen, het werd niet gecontroleerd door statische gebieden waar nucleatie het meest waarschijnlijk zou optreden.

"Dit is een dynamische relatie; de ​​laag die bijna helemaal volgroeid is, communiceert met de laag die er bovenop begint te groeien, " zei Argonne natuurkundige Peter Zapol, een andere auteur van de studie.

Terwijl de onderste laag zich blijft vullen, de resterende gaten hebben de neiging om op te treden in gebieden ver weg van de oorspronkelijke nucleatieplaatsen. Omdat deze gaten de vorming van de volgende laag in hun omgeving ontmoedigen, kiemvorming van de volgende laag zal de neiging hebben om ver weg van de gaten en dicht bij de oorspronkelijke kiemplaatsen plaats te vinden.

"De hardnekkige patronen die we zien, geven aan dat er communicatie is tussen de lagen, 'Zei Stephenson. 'Er is een overblijfsel van de eerste laag die informatie geeft aan de volgende.'

Het vermogen om de eilandpatronen te karakteriseren is het resultaat van het gebruik door de onderzoekers van coherente röntgenstralen geleverd door Argonne's Advanced Photon Source, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. Volgens Stephenson, onsamenhangende röntgenstralen die in eerdere experimenten werden gebruikt, konden alleen gemiddelde kenmerken van het eilandlandschap onthullen, terwijl coherente bundels gevoelig zijn voor de exacte eilandopstelling.

"De oude manier vertelde ons net de gemiddelde afstand en vorm van de eilanden - met coherente röntgenstralen, we kunnen veel meer informatie genereren, " zei hij. "De resolutie is zo goed geworden dat we nu in staat zijn om correlaties over de hele steekproef op te lossen, wat betekent dat we dingen zoals dit patroon kunnen zien die ons vertellen hoe de eilanden zich tot elkaar verhouden."

Het modelleren van groeidynamiek op atomair niveau hielp de onderzoekers om een ​​dieper inzicht te krijgen in kristalgroei, zei Zapol. "Als we begrijpen hoe kristallen in deze modus groeien, kunnen we misschien enkele van de mechanismen achter defectvorming beter begrijpen, evenals het ontwikkelen van technieken om nieuwe soorten kristallen te synthetiseren."

Een paper gebaseerd op de studie, "Coherente röntgenspectroscopie onthult de persistentie van eilandarrangementen tijdens laag-voor-laaggroei, " verscheen in het nummer van 4 maart van Natuurfysica . Andere auteurs van Argonne waren onder meer Guangxu Ju, Dongwei Xu, Matthew Hoogland, Jeffrey Eastman, Paul Fuoss, en Hua Zhou. Carol Thompson van de Northern Illinois University en Hyunjung Kim van de Sogang University in Zuid-Korea droegen ook bij.