Undvigende atombevægelse fanget af elektronmikroskopi

Atomernes bevægelse gennem et materiale kan give problemer under visse omstændigheder. Atomopløsningselektronmikroskopi har gjort det muligt for forskere ved Linköpings Universitet i Sverige for første gang at observere et fænomen, som har unddraget sig materialeforskere i mange årtier. Undersøgelsen er publiceret i Videnskabelige rapporter .

I nogle sammenhænge, det er ekstremt vigtigt, at grænserne bevares. Et eksempel er inden for tyndfilmsteknologi, som bruger ekstremt tynde film af forskellige materialer stablet oven på hinanden. Den termisk inducerede bevægelse af atomer gennem et materiale, diffusion, er velkendt. En specifik form for diffusion langs lineære defekter i et materiale blev foreslået så tidligt som i 1950'erne, men har forblevet et teoretisk begreb siden da, og forskere har aldrig været i stand til at observere det direkte. I stedet, teoretiske modeller og indirekte metoder anvendes almindeligvis til at måle dette fænomen, kendt som dislokationsrørdiffusion.

Forskere ved Linköping Universitet og University of California i Berkeley har nu endelig været i stand til at observere migrationen af ​​atomer mellem lagene i en tynd film. De brugte scanning transmission elektronmikroskopi (STEM) med så høj en opløsning, at det var muligt at afbilde positionerne af individuelle atomer i materialet. Prøven de undersøgte var en tynd film, hvori lag af et metal, hafniumnitrid (HfN), omkring 5 milliardtedele af en meter tyk, veksle med lag af en halvleder, scandiumnitrid (ScN).

HfN/ScN-lagenes egenskaber gør dette materiale til en egnet kandidat til brug i, for eksempel, belægningsteknologi og mikroelektronik. Det er af stabilitetsmæssige årsager meget vigtigt, at lagene af metal og halvleder ikke blandes. Der opstår problemer, hvis atomerne diffunderer hen over et mellemlag og danner en lukket bro mellem lagene i filmen, ligner en elektrisk kortslutning.

"Det materiale, vi har studeret, fungerer som et perfekt modelsystem, men denne form for diffusion forekommer i næsten alle materialer. Metaller og halvledere findes i alle de elektroniske komponenter, der bruges i mobiltelefoner, computere, osv. Derfor er det vigtigt, at materialeforskere forstår denne form for diffusion, siger Magnus Garbrecht, associeret lektor ved Institut for Fysik, Kemi og biologi ved Linköpings Universitet.

Opdagelsen beskrevet i artiklen kom, da Magnus Garbrecht opvarmede HfN/ScN til 950 °C. Han bemærkede, at hafnium diffunderede ned i de underliggende lag. Det viste sig, at der var en defekt i materialet, hvor dette fænomen opstod. Forskerne opvarmede materialet flere gange og undersøgte det efterfølgende ved hjælp af STEM og målte, hvor langt de enkelte atomer bevægede sig.

"De værdier, vi målte, stemmer godt overens med dem fra tidligere eksperimenter med indirekte metoder og med de teoretiske modeller, og dette gør os sikre på, at det, vi ser, virkelig er dislokationsrørdiffusion, siger Magnus Garbrecht.

Forskerne giver en forklaring på, hvorfor atomerne diffunderer, når materialet opvarmes. De enkelte atomer er lidt forskudt i forhold til hinanden i områderne omkring de lineære defekter. Atomerne har en tendens til at arrangere sig selv i en perfekt kubisk symmetri, og belastningen opbygges i gitteret, når dette arrangement forstyrres. Forskerne viser i undersøgelsen, at denne stamme slapper af, når atomerne diffunderer.

"Diffusionen reducerer belastningen i materialet, og det er derfor, det kun sker langs de lineære defekter, der trænger gennem materialet, siger Magnus Garbrecht.