Hvordan ionbombardement omformer metaloverflader

For at modificere en metaloverflade i størrelsen af ​​atomer og molekyler - for eksempel til at forfine ledningerne i computerchips eller det reflekterende sølv i optiske komponenter - bruser producenterne det med ioner. Selvom processen kan virke højteknologisk og præcis, teknikken har været begrænset af den manglende forståelse af den underliggende fysik. I en ny undersøgelse, Ingeniører fra Brown University modellerede ædelgasionbombardementer med en hidtil uset rigdom, giver længe søgt indsigt i, hvordan det fungerer.

"Overflademønstre og spændinger forårsaget af ionstrålebombardementer er blevet grundigt undersøgt eksperimentelt, men kunne ikke forudsiges præcist indtil nu, "sagde Kyung-Suk Kim, professor i teknik ved Brown og medforfatter af undersøgelsen offentliggjort 23. maj i Proceedings of the Royal Society A . "Den nye opdagelse forventes at give forudsigelig designkapacitet til at kontrollere overflademønstre og spændinger i nanoteknologiske produkter."

Den forbedrede forståelse kan åbne døren for nye teknologier, Kim sagde, såsom nye metoder til at lave fleksibel elektronik, biokompatible overflader til medicinsk udstyr, og mere skadetolerante og strålingsresistente overflader. Forskningen gælder for såkaldte "FCC" -metaller såsom kobber, sølv, guld, nikkel, og aluminium. Disse metaller er krystaller, der består af kubiske arrangementer af atomer med et i hvert hjørne og et i hvert terning-center-center.

Forskere har forsøgt at forklare den komplicerede proces i årtier, og for nylig er de begyndt at prøve at modellere det på computere. Kim sagde analysen af ​​Brown -holdet, herunder hovedforfatter og postdoktor Sang-Pil Kim, var mere sofistikeret end tidligere forsøg, der fokuserede på en enkelt bombardement og kun isolerede punktdefekter inden for metalsubstratet.

"I dette arbejde, for første gang, vi undersøger den kollektive adfærd af disse defekter under ionbombardementer med hensyn til kombinationer af ion-substrat, "Sagde Kyung-Suk Kim.

Den nye model afslørede, hvordan ionbombardementer kan sætte tre hovedmekanismer i gang i løbet af billioner af et sekund. Forskerne kaldte mekanismerne "dannelse af to lag, "" subway-glide mode vækst, "og" adatom ø -udbrud. "De er en konsekvens af, hvordan de indkommende ioner smelter metallet, og derefter hvordan det løser sig med ionerne, der lejlighedsvis er fanget inde.

Når ioner rammer metaloverfladen, de trænger ind i det, banker væk atomer i nærheden som billardbolde i en proces, der ligner, på atomniveau, til smeltning. Men frem for blot at rulle væk, atomer er mere som magnetiske billardkugler, idet de kommer sammen igen, eller beslutte, omend i en anden rækkefølge.

Nogle atomer er flyttet ud af stedet. Der er nogle ledige pladser i krystallen tættere på overfladen, og atomerne der trækker sammen hen over det tomme rum, der skaber et lag med mere spænding. Under det er et lag med flere atomer, der er blevet banket ind i det. At trængsel af atomer skaber komprimering. Derfor er der nu to lag med forskellige niveauer af kompression og spænding. Denne "dobbeltlagsdannelse" er forløberen til "væksten i subway-glide-mode" og "udbrud af adatomøer".

Et kendetegn for materialer, der er blevet bombarderet med ioner, er, at de nogle gange producerer et mønster af materiale, der ser ud til at være dukket op af den oprindelige overflade. Tidligere har Kyung-Suk Kim sagde:videnskabsfolk troede, at fordrevne atomer individuelt bare ville vende tilbage til overfladen som fisk, der blev dræbt i en undersøisk eksplosion. Men hvad teamets modeller viser er, at disse molekylære øer er dannet af hele klynger af fordrevne atomer, der binder sig sammen og ser ud til at glide tilbage til overfladen.

"Processen er analog med, at folk stiger på et metrotog på forstadsstationer, og de kommer alle sammen ud til overfladen, når toget ankommer til en downtown -station i løbet af morgenruslen, "Sagde Kyung-Suk Kim.

Mekanismerne, mens han tilbyder en ny forklaring på virkningerne af ionbombardement, er kun begyndelsen på denne forskning.

"Som et næste trin, Jeg vil udvikle forudsigelsesmodeller for nanopatternes udvikling under ionbombardement, som kan styre nanoproducerende processer, "Sang-Pil Kim sagde." Denne forskning vil også blive udvidet til andre applikationer såsom bløde eller hårde materialer under ekstreme forhold. "