Ny indsigt i tidlig vækst af solide tynde film

(Phys.org) – Grundlaget for mange moderne elektroniske enheder, såsom computerchips, er tynde film - lag i nanoskala tykkelse af et materiale, der dyrkes på overfladen af ​​et andet. Da forbrugerne fortsat efterspørger produkter, der er slankere og hurtigere, at forstå udviklingen af ​​tyndfilmvækst vil hjælpe videnskabsmænd med at lære at skræddersy tyndfilm til nye teknologier.

I nogle tilfælde vokser film lag for lag, hvert lag et atom tykt, mens atomer aflejret på en overflade i andre tilfælde danner tredimensionelle øer, der vokser, støde ind og smelte sammen til en kontinuerlig film. I sidstnævnte tilfælde, videnskabsmænd har traditionelt antaget, at de voksende øer er homogene, med lignende størrelser, og smelter sammen på nogenlunde samme tid. Imidlertid, i en nylig undersøgelse, ved hjælp af røntgenstråler produceret ved National Synchrotron Light Source (NSLS), Boston University (BU) forskere undersøgte øvækst i realtid, opdager, at processen er mere dynamisk end den traditionelle opfattelse antyder.

Gruppen fastslog, at øens udvikling matcher den adfærd, der er forudsagt af en simpel, men detaljeret model af aflejringen, vækst, og koalescens af væskedråber, kendt som Family-Meakin (FM) modellen. I øvrigt, de foreslår, at andre typer tyndfilm dyrket af ø-mekanismen kan opføre sig på samme måde i de tidlige vækststadier. De beskriver deres arbejde i den 7. september, 2012, udgave af Fysiske anmeldelsesbreve .

BU-fysiker Karl Ludwig forklarer, "Det er overraskende for mange mennesker, at der stadig er grundlæggende ting at lære om en proces, der tilsyneladende er så enkel som tredimensionel vækst af tyndfilm. som så ofte sker, når vi har et nyt værktøj, der muliggør undersøgelse i realtid med hidtil usete detaljer, vi lærer, at virkeligheden er mere kompleks, og mere spændende, end man ofte havde antaget."

Ved NSLS beamline X21, ved hjælp af en forskningsendestation udviklet til at studere materialeoverflader og tynde film i realtid, BU-gruppen afsatte aluminium på to overflader, siliciumoxid og safir. Prøverne blev placeret inde i et ultrahøjt vakuumkammer, og den tynde film blev aflejret meget langsomt, så forskerne kunne tage flere røntgenscanninger af overfladen under vækst og "se" aluminiumsfilmen udvikle sig i realtid.

Røntgenscanningerne antydede, at de aflejrede atomer oprindeligt samlede sig for at danne små øer med en diameter på blot et par nanometer (milliarddele af en meter) og derefter begyndte at smelte sammen, dannelse af større øer omkring 10 nm på tværs (eksperimentet var ikke langt nok til at fuldføre filmvækst, men øerne ville til sidst smelte sammen til et sammenhængende lag). Dette blev senere bekræftet af atomic force microscope (AFM) billeder af prøven, taget efter forsøget var afsluttet, og prøven var blevet ekstraheret fra kammeret. Med endelige højder på omkring 3 nm, øerne var "stærkt tredimensionelle". Ja, AFM-billederne taget i slutningen af ​​undersøgelsen viste relativt høje øer med omtrent halvkugleformede former.

Resultaterne viser flere måder, hvorpå filmens udvikling stemmer overens med væske-dråbeadfærd som forudsagt af FM-teori – selvom filmen er solid, ikke flydende. For eksempel, udviklingen af ​​øerne er selvlignende, hvilket betyder, at den gennemsnitlige geometri på et senere tidspunkt ligner den på et tidligere tidspunkt, men med længde skalaer forøget ("skaleret") ved en magtlov.

Nøgleingrediensen, som FM-modellen indeholder, som manglede i det traditionelle syn på øens vækst, er sammensmeltningen af ​​øer for at danne nye, kompakte øer, når de støder ind. Dette fører til en karakteristisk morfologi observeret i AFM-billederne, hvor mange mindre øer er spredt blandt større øer, der dannes, når de små kombineres. En sådan sammensmeltning burde være et udbredt fænomen for små øer på overflader, og forståelse af det kan føre til bedre kontrol med ultratynde film til teknologisk brug.