Løst:Mysteriet med korncirklerne i nanoskala

(PhysOrg.com) -- For næsten tre år siden udførte et team af videnskabsmænd ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et eksperiment, hvor lag af guld på kun nanometer (milliardtedele af en meter) tyk blev opvarmet på en flad siliciumoverflade og fik derefter lov til at køle af. De så overrasket på, mens ejendommelige træk udvidede sig og ændrede sig på skærmen i deres elektronmikroskop, til sidst at slå sig ned i cirkler omgivet af uregelmæssige blærer.

Cirklerne varierede i diameter op til et par milliontedele meter, og i midten af ​​hver var en perfekt firkant. De mystiske mønstre mindede ikke så meget om så meget som såkaldte "fremmede" korncirkler.

Indtil for nylig forblev årsagen til disse mærkelige formationer et mysterium. Nu har teoretiske indsigter forklaret, hvad der sker, og resultaterne er offentliggjort online af Fysiske anmeldelsesbreve .

Ivrigt smeltende legeringer

Når to faste stoffer kombineres i de helt rigtige proportioner, ændringer i kemisk binding kan producere en legering, der smelter ved en temperatur, der er langt lavere, end begge kan smelte af sig selv. En sådan legering kaldes eutektisk, Græsk for "god smeltning." Den eutektiske legering af guld og silicium – 81 procent guld og 19 procent silicium – er især nyttig til behandling af halvledere i nanoskala såsom nanotråde, samt enhedsforbindelser i integrerede kredsløb; det bliver flydende ved beskedne 363˚ Celsius, langt lavere end smeltepunktet for enten rent guld, 1064°C, eller rent silicium, 1414°C.

"Guld-silicium eutektisk væske kan sikkert lodde chiplag sammen eller danne mikroskopiske ledende ledninger, ved at flyde ind i kanaler i underlaget uden at brænde omgivelserne op, " siger Berkeley Labs Junqiao Wu. "Det er særligt interessant til behandling af materialer og enheder i nanoskala." Wu nævner eksemplet med silicium nanotråde, som kan dyrkes fra perler af eutektisk væske, der dannes fra dråber af guld. Perlerne katalyserer aflejringen af ​​silicium fra en kemisk damp og rider oven på konstant forlængende nanotrådhårhår.

Det har været en udfordring at forstå, hvordan og hvorfor dette sker. Selvom eutektiske legeringer er godt undersøgt som faste stoffer, den flydende tilstand udgør flere forhindringer, som er særligt formidable på nanoskala på grund af stærkt øget overfladespænding - de samme overfladekræfter, der gør det vanskeligt at danne ultratynde film af vand, for eksempel, fordi de trækker vandet i dråber. På mindre skalaer stiger forholdet mellem overfladeareal og bulk markant, og nanoskala strukturer er blevet beskrevet som praktisk talt "al overflade."

Dette er de forhold, som holdet ledet af Wu, som er en fakultetsforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division og professor i Institut for Materials Science and Engineering ved University of California i Berkeley, satte sig for at undersøge, ved at skabe de tyndest mulige film af guld-silicium eutektiske legeringer. Det gjorde forskerne ved at starte med et substrat af rent silicium, på hvis flade overflade der var dannet et ekstremt tyndt barrierelag (to nanometer tykt) af siliciumdioxid. På denne overflade lagde de lag af rent guld, at variere tykkelsen fra det ene forsøg til det næste mellem blot et par nanometer til en heftig 300 nanometer. Siliciumdioxidbarrieren forhindrede det rene silicium i at blande sig med guldet.

Det næste trin var at opvarme den lagdelte prøve til 600˚C i flere minutter – ikke varm nok til at smelte guldet eller siliciumet, men varmt nok til at få naturligt eksisterende nålehuller i det tynde siliciumdioxidlag til at forstørre sig til små svage punkter, hvorigennem rent silicium kunne komme i kontakt med det overliggende guld. Ved høj temperatur, siliciumatomer diffunderede hurtigt ud af substratet og ind i guldet, danner et lag af eutektisk guld-silicium legering næsten samme tykkelse som det originale guld og spreder sig i en praktisk talt perfekt cirkel fra det centrale nålehul.

Da den cirkulære skive af eutektisk legering blev stor nok, brød den pludselig op, forstyrret af den høje overfladeenergi af guld-silicium eutektisk væske. Affaldet blev bogstaveligt talt trukket til kanterne af disken, hober sig op omkring det for at efterlade en central blottet zone af bar siliciumdioxid.

I midten af ​​den blottede zone, en perfekt firkant af guld og silicium var tilbage.

Kemi og krystallografi, ikke udlændinge

Forskernes mest overraskende opdagelse var, at jo tyndere det oprindelige guldlag var, jo hurtigere udvidede de eutektiske cirkler sig. Reaktionshastigheden, når guldlagene kun var 20 nanometer tykke, var mere end 20 gange hurtigere, end når lagene var 300 nanometer tykke. Og selvom dimensionerne af guld- og siliciumfirkanterne inde i de cirkulære blottede zoner ved første øjekast virkede varierende, der var faktisk et strengt forhold mellem størrelsen af ​​kvadratet og størrelsen af ​​cirklen:Cirklens radius var altid længden af ​​kvadratet hævet til 3/2 potens.

Hvordan kom firkanterne dertil i første omgang? De opstod som svage punkter, der var kilderne til de spredte eutektiske guld-silicium-cirkler; når det cirkulære eutektikum blev brudt, fyldte firkanterne med det samme eutektikum, som forblev i centrum af de blottede zoner. Mens de kølede af, guldet og siliciumet inden for firkanterne adskilt, efterlader skarpt definerede kanter, der var rent silicium; centrene var mere groft skitserede firkanter af rent guld.

Ved at skære gennem silicium/siliciumdioxid/guld lagkagen og se sidelæns på strukturerne med et elektronmikroskop, forskerne fandt ud af, at overfladefirkanterne var basen af ​​omvendte pyramider, der ligner tænder, der penetrerer det tynde siliciumdioxidlag og indlejret i siliciumwaferen. Firkanterne var firkantede, faktisk, på grund af siliciumets orientering:substratet var blevet skåret langs krystalplanet, der definerede basen. De fire trekantede sider af pyramiderne lå langs krystalgitterets lavenergiplaner og blev defineret af deres skæringspunkter.

Hvad der begyndte som et gådefuldt fænomen, der minder om "The X Files, "hvis i en betydelig mindre skala end den kosmiske, mysteriet om "korncirkler i nanoskala" gav til sidst efter for omhyggelig observation og teoretisk analyse - på trods af de forhindringer, som høje temperaturer udgør, nanoskala størrelser, ustabilitet i den flydende tilstand, og ekstremt hurtige tidsskalaer.

"Vi fandt ud af, at reaktionshastigheden ved dannelse af små guld-silicium eutektiske væsker - og måske også i mange andre eutektikker - er domineret af tykkelsen af ​​de reagerende lag, " siger Wu. "Denne opdagelse kan give nye ruter til konstruktion og behandling af materialer i nanoskala."