Forskere sporer mønstre for øvækst i krystaller

Argonne -forskere afslører forbindelser, når krystallinske lag dannes.

At forstå, hvordan krystaller vokser, påvirker brede områder af materialevidenskab, fra at udvikle bedre mikroelektronik til at opdage nye materialer. På atomniveau, krystaller kan vokse på flere forskellige måder, og forskere har for nylig opdaget en spændende adfærd forbundet med en almindelig måde, hvorpå krystaller vokser.

I denne form for krystalvækst, kaldet "" lag for lag, "overfladen af ​​krystallen starter meget glat på atomniveau. Nye atomer, der ankommer til overfladen, har en tendens til at skate rundt, indtil de finder hinanden. Når dette sker, de begynder at danne et nyt et-atom-tykt lag ved at forbinde, skaber en flad region kendt som en ø. Efterhånden som der kommer flere atomer, yderligere øer dannes andre steder på overfladen. Til sidst dækker de voksende øer hele overfladen, samles for at danne et nyt atomlag.

"Hvis vi forstår, hvordan krystaller vokser i denne tilstand, vi kan måske bedre forstå nogle af mekanismerne bag defektdannelse, samt udvikle teknikker til at syntetisere nye typer krystaller, "sagde Peter Zapol, Argonne materialeforsker.

I en ny undersøgelse fra US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, forskere har fundet ud af, at det tilsyneladende tilfældige arrangement af øer, der dannes for at begynde nye lag, faktisk kan være meget ens fra lag til lag.

Ved hjælp af sammenhængende røntgenspredningsteknikker til at observere krystaloverfladen på atomskala under krystalvækst, forskerne var i stand til at karakterisere øernes nøjagtige arrangement, som de danner, eller? "nukleat, "i hvert lag af krystallen.

"Du kan tænke på, hvad vi laver som noget som at lave pandekager i en gryde, "sagde Argonne Distinguished Fellow og studieforfatter Brian Stephenson.?" Da vi tilfældigt tilføjer mere atom? 'vores pandekageøer begynder at løbe sammen og samles. Det interessante er, at hver gang vi vokser et nyt lag, mønsteret af pandekager gentager mønsteret af det originale lag. "

En vigtig overvejelse, som Stephenson bemærkede, er, at kernen i nye øer ikke var påvirket af defekter i krystalstrukturen - det vil sige, det blev ikke kontrolleret af statiske regioner, hvor kimdannelse mest sandsynligt ville forekomme.

"Dette er et dynamisk forhold; det lag, der næsten er vokset, kommunikerer med det lag, der begynder at vokse oven på det, "sagde Argonne -fysikeren Peter Zapol, en anden forfatter til undersøgelsen.

Da det nederste lag fortsætter med at udfylde, de resterende huller har en tendens til at forekomme i områder langt væk fra de oprindelige nukleationssteder. Fordi disse huller modvirker nukleation i næste lag i deres nærhed, nukleation af det næste lag vil have en tendens til at foregå langt væk fra hullerne og tæt på de oprindelige kimdannelsessteder.

"De vedvarende mønstre, vi ser, indikerer, at der er kommunikation mellem lagene, "Sagde Stephenson.?" Der er en rest af det første lag, der giver information til det næste. "

Evnen til at karakterisere ømønstrene kommer som et resultat af forskernes brug af sammenhængende røntgenstråler leveret af Argonnes Advanced Photon Source, en DOE Office of Science brugerfacilitet. Ifølge Stephenson, usammenhængende røntgenstråler, der blev brugt i tidligere forsøg, kunne kun afsløre gennemsnitlige træk ved ølandskabet, mens sammenhængende bjælker er følsomme over for det nøjagtige øarrangement.

"Den gamle måde fortalte os bare øernes gennemsnitlige afstand og form-med sammenhængende røntgenstråler, vi er i stand til at generere en masse flere oplysninger, "sagde han.?" Opløsningen er blevet så god, at vi nu er i stand til at løse sammenhænge på tværs af hele stikprøven, hvilket betyder, at vi kan se ting som dette mønster, der fortæller os, hvordan øerne forholder sig til hinanden. "

Modellering af vækstdynamik på atomniveau hjalp forskerne med at opnå en dybere forståelse af krystalvækst, Sagde Zapol. ? "Hvis vi forstår, hvordan krystaller vokser i denne tilstand, vi kan måske bedre forstå nogle af mekanismerne bag defektdannelse, samt udvikle teknikker til at syntetisere nye typer krystaller. "

Et papir baseret på undersøgelsen, "Sammenhængende røntgenspektroskopi afslører vedholdenheden af ​​øarrangementer under lag-for-lag-vækst, "dukkede op i 4. marts -udgaven af Naturfysik . Andre Argonne -forfattere inkluderede Guangxu Ju, Dongwei Xu, Matthew Highland, Jeffrey Eastman, Paul Fuoss, og Hua Zhou. Carol Thompson fra Northern Illinois University og Hyunjung Kim fra Sogang University i Sydkorea bidrog også.