Teknik afslører, hvordan krystaller dannes på overflader

Når videnskabsmænd taler om krystaller, mener de ofte enkeltkrystaller. Disse højt ordnede strukturer består af atomer, molekyler eller ioner arrangeret i et gentaget, tredimensionelt mønster. Fordi deres gentagne byggeklodsenheder er regelmæssige og stablet pænt oven på hinanden, har enkeltkrystaller en tendens til at være stærke, ensartede og nemme at karakterisere.

Men naturen giver sjældent perfekte enkeltkrystaller. I stedet kommer materialer ofte som polykrystallinske aggregater, et sammensurium af mindre, tilfældigt orienterede enkeltkrystaller.

Denne forskel har betydning, fordi et materiales egenskaber i høj grad afhænger af, hvordan dets atomer eller molekyler pakkes sammen. For eksempel afhænger ydeevnen af ​​siliciumsolceller og LED'er af størrelsen og orienteringen af ​​materialets små enkeltkrystaller.

Nu beskriver forskere, der rapporterer i tidsskriftet ACS Nano, hvordan de filmede væksten af ​​krystaller. Holdet, ledet af Yassar Dahman fra University of Virginia, brugte en mikroskopimetode kendt som atomkraftmikroskopi til at se, hvordan små krystaller kernedannelse på et siliciumsubstrat.

Atomkraftmikroskoper bruger en skarp cantilever, der ligner den for et scanning-probemikroskop, til at scanne overfladen. Når cantileveren bevæger sig hen over en prøve, justeres dens lodrette position efter behov for at opretholde en konstant kraft mellem spidsen og overfladen. De resulterende data kan derefter bruges til at bestemme, hvordan overfladetopografien varierer langs scanningen.

Gruppen satte deres instrument op til at scanne et område lidt større end 2 mikrometer på en side, hvert andet millisekund - en proces, de fortsatte i mere end en halv time. Forskernes video viser, hvordan krystallinske øer i nanometerskala dannes på substratet. Videoen afslører også, at øerne vokser hurtigt, smelter sammen med hinanden og bevæger sig rundt på overfladen, efterhånden som materialet omarrangerer sig selv og til sidst danner større og mere perfekte krystaller.

"Du kan se en lille ø-kerne, og den vil begynde at vokse og til sidst ramme en anden ø og smelte sammen med den," siger Dahman.

Dahman bemærker, at filmens tidsskala er størrelsesordener hurtigere end andre teknikker, der bruges til at afbilde bevægelsen af ​​atomer på overflader, såsom scanning tunneling mikroskopi. "Det, vi viser her, er meget anderledes end det, vi ser med de teknikker, som viser statiske billeder, fordi de sonderer overfladen meget langsomt," siger han. "Vi ser en film i stedet for et stillbillede."

Teknikken afslører også, at øerne i starten har forskellige strukturer, men så tager den mest stabile struktur over, efterhånden som krystallerne vokser sig større, siger Dahman. "Den mere stabile struktur er den med den lavere overfladeenergi," forklarer han.

Dahman siger, at holdet håber at bruge den nye mikroskopimetode til at studere, hvordan forskellige materialer vokser i realtid, for at lære mere om, hvorfor materialer vedtager specifikke krystalstrukturer og til at designe bedre materialer til forskellige anvendelser.

Matthew J. Highland fra University of Chicago, som ikke var involveret i forskningen, siger, at arbejdet er "meget spændende" og "spændende".

"Evnen til at observere udviklingen af ​​krystalvækst in situ på nanoskala er af stor værdi for feltet," siger han. Og selvom forskerne afbildede krystaller, der voksede på silicium, bemærker Highland, at "denne teknik er lige så anvendelig til en række andre materialesystemer, herunder organiske halvledere, metaloxider og endda biomolekyler."