Forskere arbejder på at forbedre den mekaniske stabilitet af nanofilm

(Phys.org)—Læs hoveder på harddiske, lasere i dvd-afspillere, transistorer på computerchips, og mange andre komponenter indeholder alle ultratynde film af metal eller halvledermaterialer. Spændinger opstår i tynde film under deres fremstilling. Disse påvirker komponenternes optiske og magnetiske egenskaber, men også forårsage defekter i krystalgitre, og til sidst, føre til komponentfejl. Som forskere i afdelingen for Eric Mittemeijer ved Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart nu har etableret, enorme spændinger i filmene er skabt af en kvantemekanisk mekanisme, der har været ukendt indtil nu, baseret på en effekt ved navn kvanteindeslutning. Denne effekt kan forårsage spændinger svarende til tusind gange standard atmosfærisk tryk, afhængig af tykkelse. Viden om dette kan være nyttigt til at kontrollere de optiske og mekaniske egenskaber af tyndfilmsystemer og øge deres mekaniske stabilitet. Derudover meget følsomme sensorer kan også udvikles på baggrund af denne viden.

Film af metal, halvledermaterialer eller keramik kan i dag dyrkes et atomlag ad gangen på krystallinske substrater såsom silicium. På trods af denne atomare præcision, fejl opstår altid i krystalgitter af film, der kun er få nanometer tykke; nogle gange mangler der kun ét atom i et gitter, hvor man egentlig burde være. Disse former for gitterdefekter kan forringe effektiviteten af ​​solceller eller halvlederlasere. En grund til dette er spændinger, der opstår i filmen. Indtil nu, hovedårsagen til disse belastninger blev anset for at være væksten af ​​filmen på et andet materiale, således at filmens krystalgitter ikke faldt sammen med substratets. Atomseparationerne i filmen blev tilsvarende kontraheret eller udvidet, med en tryk- eller trækbelastning, der udvikler sig. Materialeforskere, der arbejder med Eric Mittemeijer, Direktør ved Max Planck Institute for Intelligente Systems i Stuttgart, har nu opdaget en ekstra mekanisme, der er i stand til at skabe enorm stress i de ultratynde film.

David Flötotto og hans kolleger opdagede denne mekanisme, da de analyserede spændingen i ultratynde aluminiumsfilm. De brugte et apparat til dette, der præcist lægger det ene lag efter det andet af aluminiumatomer ned på et siliciumsubstrat, præcis som en murstensvæg er bygget. Ved først at måle spændingen i et enkelt lag, derefter i et dobbeltlag, et tredobbelt lag og så videre, forskerne fandt ud af, hvordan belastningen i aluminiumsfilmen ændrede sig efter deponering af hvert nyt lag. At gøre dette, de bestemte, hvor meget siliciumsubstratet deformerede på grund af denne spænding. Og ved at gøre det, de konstaterede overraskende, at spændingen i filmen svingede med omkring 100 megapascal, da den blev tykkere. Til sammenligning, standardtrykket i atmosfæren ved havniveau udgør ca. 0,1 megapascal.

Filmen udvider og trækker sig sammen, søger energiminimum

Grundlaget for dette fænomen ligger i, at elektronerne opfører sig anderledes i en tynd film af få atomlag end i en tykkere film. På grund af kvantemekanikken, elementarpartiklerne beskrives ikke kun som partikler, men også som bølger. Da tykkelsen af ​​film et par atomlag tykke kun er noget større end elektronernes bølgelængde, elektronerne "fornemmer" filmens grænser. Denne såkaldte kvanteindeslutning reducerer kraftigt elektronernes fleksibilitet til at absorbere og frigive energi. Elektronerne indtager derfor kun diskrete energistater.

Elektronenergien svinger med den konstant stigende filmtykkelse. Det øges først med tykkelsen, falder derefter, stiger igen, og så videre. Princippet der gælder her er, at der vil blive gjort alt for at minimere systemets energi. Filmen søger tykkelser, for hvilke elektronenergien er så lille som muligt, dvs. minimum af denne udsving. Hvis filmen bliver et nyt atomlag tykkere, den er enten en smule for tyk eller for tynd til dette minimum. I det første tilfælde, det kontrakter, i sidstnævnte tilfælde udvider den sig for at opnå minimumsenergien.

Egenskaberne af ultratynde film kan nu skræddersyes mere passende

Udvidelse eller sammentrækning af filmtykkelsen resulterer i, at atomgitteret parallelt med filmen ønsker at udvide sig eller trække sig sammen, henholdsvis. Fordi den ikke kan gøre det på grund af dens faste forbindelse til underlaget, der udvikles en træk- eller trykspænding i filmen, som forskerne har målt. Når filmtykkelsen er blevet øget til fem atomlag, det kontrakter, og ved syv atomlag, det udvider sig. For at forklare de målte spændinger, forskerne i Stuttgart udviklede en model, der kombinerer teorien om frie elektroner og Hookes lov, som det er kendt, som beskriver den elastiske opførsel af faste legemer.

Forskerne ser mange potentielle applikationer til deres opdagelse. "Jo bedre man forstår, hvordan spændinger udvikler sig i en fortykkende film, jo bedre kan man kontrollere dens vækst og undgå gitterdefekter, "siger David Flötotto. Desuden, den mekaniske belastning i en tynd film påvirker dens elektriske, optiske og magnetiske egenskaber. "Egenskaber som disse kan nu skræddersyes bedre til ultratynde film, " Flötotto er overbevist. Målingerne af spændingen kan også bruges til at bestemme tykkelsen af ​​en voksende film meget præcist. Man kunne også udnytte effekten ikke mindst til meget følsomme gassensorer. For ved aflejring af selv de mindste mængder gas på overfladen, elektronernes energitilstand og dermed spændingerne i filmen ændres.

Teamet arbejder nu på at gøre effekten levedygtig også for tykke film (i området 100 nanometer). "Vi arbejder i øjeblikket på at fryse stresstilstanden for også at kontrollere stress i en tykkere film, " siger Flötotto. Egenskaber som dens mekaniske stabilitet kan således forbedres.