Oprettelse af film med tyndfilmvækst

Fra maling på en væg til tonede bilruder, tynde film udgør en lang række materialer, der findes i det almindelige liv. Men tynde film bruges også til at bygge nogle af nutidens vigtigste teknologier, såsom computerchips og solceller. Søger at forbedre ydeevnen af ​​disse teknologier, forskere studerer de mekanismer, der driver molekyler til ensartet at stakke sammen i lag - en proces kaldet krystallinsk tyndfilmvækst. Nu, en ny forskningsteknik kunne hjælpe forskere med at forstå denne vækstproces bedre end nogensinde før.

Forskere fra University of Vermont, Boston University, og det amerikanske energiministerium (DOE) Brookhaven National Laboratory har demonstreret en ny eksperimentel kapacitet til at se tyndfilmvækst i realtid. Ved hjælp af National Synchrotron Light Source II (NSLS-II)-et DOE Office of Science User Facility i Brookhaven-var forskerne i stand til at producere en "film" med tyndfilmvækst, der skildrer processen mere præcist, end traditionelle teknikker kan. Deres forskning blev offentliggjort den 14. juni, 2019 i Naturkommunikation .

Hvor tynde film vokser

Som at bygge en mur, tynde film "vokser" ved at stable i overlappende lag. I dette studie, forskerne fokuserede på vækstprocessen af ​​et nanomateriale kaldet C60, som er populær til brug i organiske solceller.

"C60 er et sfærisk molekyle, der har strukturen som en fodbold, "sagde University of Vermont fysiker Randall Headrick, hovedforfatter af forskningen. "Der er et carbonatom i alle hjørner, hvor de 'sorte' og 'hvide' pletter mødes, for i alt 60 carbonatomer. "

Selvom sfæriske C60-molekyler ikke passer perfekt side om side som mursten i væggen, de skaber stadig et ensartet mønster.

"Forestil dig, at du har en stor skraldespand, og du fylder den med et lag marmor, "Headrick sagde." Kuglerne pakkes sammen i et flot sekskantet mønster langs bunden af ​​skraldespanden. Derefter, da du lagde det næste lag af kugler, de ville passe ind i de hule områder mellem kuglerne i bundlaget, danner endnu et perfekt lag. Vi studerer den mekanisme, der forårsager kuglerne, eller molekyler, at finde disse bestilte websteder. "

Men i virkeligheden, tynde film stabler ikke dette jævnt. Når du fylder en beholder med marmor, for eksempel, du kan have tre lag marmor på den ene side af skraldespanden og kun et lag på den anden side. Traditionelt set denne uensartethed i tynde film har været vanskelig at måle.

"I andre forsøg vi kunne kun studere en enkelt krystal, der var specielt poleret, så hele overfladen opførte sig på samme måde på samme tid, "Headrick sagde." Men det er ikke sådan materialer opfører sig i det virkelige liv. "

Undersøgelse af tyndfilmvækst gennem sammenhængende røntgenstråler

For at indsamle data, der mere præcist beskrev tyndfilmvækst, Headrick gik til Coherent Hard X-ray Scattering (CHX) beamline på NSLS-II for at designe en ny form for eksperiment, en, der gjorde brug af strålelinjens sammenhængende røntgenstråler. Holdet brugte en teknik kaldet røntgenfotonkorrelationsspektroskopi.

"Typisk, når du laver et røntgenforsøg, du ser gennemsnitlige oplysninger, som den gennemsnitlige størrelse af molekyler eller den gennemsnitlige afstand mellem dem. Og når overfladen af ​​et materiale bliver mindre ensartet eller 'mere ru', 'de funktioner, du leder efter, forsvinder, "sagde Andrei Fluerasu, hovedstråleforsker ved CHX og medforfatter af forskningen. "Det særlige ved CHX er, at vi kan bruge en sammenhængende røntgenstråle, der frembringer et interferensmønster, som kan tænkes som et fingeraftryk. Når et materiale vokser og ændrer sig, dens fingeraftryk gør det også. "

Det "fingeraftryk", der frembringes af CHX, fremstår som et plettet mønster, og det repræsenterer det nøjagtige arrangement af molekyler i materialets øverste lag. Når lagene fortsætter med at stakke, forskere kan se fingeraftrykket ændre sig, som var det en film af den tynde filmvækst.

"Det er umuligt at måle med andre teknikker, "Sagde Fluerasu.

Gennem computerbehandling, forskerne er i stand til at konvertere plettet mønstre til korrelationsfunktioner, der er lettere at fortolke.

"Der er instrumenter som højopløselige mikroskoper, der faktisk kan skabe et rigtigt billede af den slags materialer, men disse billeder viser normalt kun snævre visninger af materialet, "Headrick sagde." Et plettet mønster, der ændrer sig over tid, er ikke så intuitivt, men det giver os data, der er meget mere relevante for den virkelige sag. "

Medforfatter Lutz Wiegart, en stråleforsker ved CHX, tilføjet, "Denne teknik giver os mulighed for at forstå dynamikken i vækstprocesser og, derfor, finde ud af, hvordan de forholder sig til filmens kvalitet, og hvordan vi kan justere processerne. "

De detaljerede observationer af C60 fra denne undersøgelse kan bruges til at forbedre ydelsen af ​​organiske solceller. Bevæger sig fremad, forskerne planlægger også at bruge denne teknik til at studere andre typer tynde film.