Problemer med sprut? Skyld skylden på gigantiske nanopartikler

Når du river en pose kartoffelchips op eller sætter en dvd i, du lægger sandsynligvis din hånd på sputter deposition. Ingen, løb ikke efter sæben.

Sputterdeposition er en industriel proces, der siden 1970'erne er blevet brugt til at sprøjte -- sputter, det vil sige -- tynde film på forskellige bagsider, som den metalliske belægning på kartoffelchipsposer, den reflekterende overflade på DVD'er, eller elektronikken på computerchips.

For det meste, processen fungerer meget godt. I et vakuumkammer fyldt med en inert gas, som argon, højspænding påføres en magnet. Dette giver energi til argon, hvilken, på tur, støder partikler af, sige, wolframmetal fra en kilde nær magneten ud i gasskyen. Nogle af disse ekstremt varme, ladede wolframpartikler glider ved høj hastighed gennem argon og aflejres på målet, danner en tynd film.

Men nogle gange skaller belægningerne af, eller produktet bøjer sig ind i sig selv og revner, som om filmen blev strakt stramt inden den blev påført overfladen. Andre gange, filmene er bare for barske. I årtier, videnskabsmænd har været forvirrede - og producenter frustrerede - over, hvorfor disse problemer opstår.

Nu har forskere ved University of Vermont og Argonne National Laboratory nær Chicago en forklaring:"det er nanopartikler, " siger Randy Headrick, professor i fysik ved UVM, "stikker og trækker sammen."

Opdagelsen, ledet af Headricks kandidatstuderende, Lan Zhou, blev offentliggjort 10. august i tidsskriftet Fysisk gennemgang B .

Ved hjælp af kraftige røntgenstråler, holdet målte størrelsen af ​​wolframpartikler, der aflejrede sig på et mål og blev forbløffet. Over et kritisk tryk i argongassen (otte en milliontedel af en atmosfære), størrelsen sprang pludselig. I stedet for enkelte atomer eller molekyler med flere atomer - som man kunne forvente i høj varme, højhastighedsmiljø i et forstøvningskammer -- de opdagede relativt gigantiske klatter af hundredvis af atomer:hvad forskerne kalder en "nanopartikelaggregation."

"Det er en kondens, som skyer, som tåge, " siger Headrick, "det er noget, vi virkelig ikke havde forventet."

Disse nanopartikler trækker sig sammen og smelter sammen, trækker filmen tæt, da små "nano-hulrum" mellem partikler elimineres. Dette kan skabe stress i tynde film, der er stærke nok til at trække elektroniske wafers til en skålform eller ruhed, der forvrænger de sarte belægninger af optiske linser.

"Ingen var klar over, at man i gasfasen kunne producere en partikel så stor, " siger Al Macrander, en fysiker ved Argonne National Laboratory og en medforfatter på artiklen. "De er meget energiske, så det er kontraintuitivt, at de ville holde fast - på grund af deres hastighed, "siger han. Men de gør det.

I sputterdeponeringskammeret, "partikler starter med temperaturer på omkring ti tusinde grader, " UVM's Randy Headrick forklarer. Men selvom de bevæger sig i gassen, de køler lidt og "når de er afkølet, " han siger, "de vil tilbage til at være et solidt."

"Dette har store konsekvenser, " Macrander siger, "for mange brancher, ikke kun optik." For hans del, de nye resultater vil sandsynligvis hjælpe med at fremskynde skabelsen af ​​avancerede røntgenlinser, som han har været med til at udvikle.

Indtil nu, bestræbelserne på at fremstille disse linser er ikke lykkedes, da sputter-aflejringsprocessen har produceret belægninger, der stadig er for ru med for meget spænding - på trods af at de har brugt state-of-the-art teknikker.

"Disse linser er beregnet til at fokusere røntgenstråler på mindre dimensioner, end der nogensinde er blevet opnået, " han sagde, "ned til en nanometer." At lave disse linser kræver mere end tusinde lag tynd film. "Stress bygger sig op og bliver et problem, " han siger.

Teamets nye indsigt i den grundlæggende fysik ved sputteraflejring peger vejen mod en løsning, men ligningen er kompleks. "Hvis du ønsker at få rigtige glatte overflader, du skal afsætte ved lavere argontryk, " siger UVM's Lan Zhou. Men ved dette meget lave tryk, partiklerne rammer med en sådan hastighed, at de tynde film ønsker at udvide sig, skabe det modsatte problem ved at trække film fra hinanden.

"Det er stadig et åbent spørgsmål:hvad gør du for at lave en film uden stress og så glat som muligt?" siger Headrick.

"Nu forstår vi i det mindste, hvad der sker, " siger Zhou, "så folk kan prøve at optimere filmaflejringsforholdene, for struktur og ruhed."

Stadig, hvad der er problemer i én applikation, kan være en fordel i andre. "Der er meget mere i denne opdagelse end linsebelægninger, " siger Headrick, "der er mange slags materialer, hvor du vil lave nanopartikler, som nogle slags katalysatorer eller solceller. Dette kunne være en god måde at lave nanopartikler billigt på."

Men omkostningerne ved at finde ud af det var stejle. "Det tog år for os at forstå, " siger Zhou, med det lidt slidte smil, som ph.d.-studerende bærer bedst, "det var svært at tænke på, at aggregatpartikler dannedes midt i en flux."