Il movimento degli atomi attraverso un materiale può causare problemi in determinate circostanze. La microscopia elettronica a risoluzione atomica ha consentito ai ricercatori dell'Università di Linköping in Svezia di osservare per la prima volta un fenomeno che è sfuggito agli scienziati dei materiali per molti decenni. Lo studio è pubblicato su Rapporti scientifici .

In alcuni contesti, è estremamente importante che i confini siano mantenuti. Un esempio è all'interno della tecnologia a film sottile, che utilizza film estremamente sottili di vari materiali impilati uno sopra l'altro. Il movimento termicamente indotto degli atomi attraverso un materiale, diffusione, è ben noto. Un tipo specifico di diffusione lungo i difetti lineari di un materiale è stato proposto già negli anni Cinquanta, ma da allora è rimasto un concetto teorico e i ricercatori non sono mai stati in grado di osservarlo direttamente. Anziché, modelli teorici e metodi indiretti sono comunemente applicati per misurare quel fenomeno, nota come diffusione del tubo di dislocazione.

I ricercatori della Linköping University e dell'Università della California a Berkeley sono finalmente riusciti a osservare la migrazione degli atomi tra gli strati di una pellicola sottile. Hanno utilizzato la microscopia elettronica a trasmissione a scansione (STEM) con una risoluzione così elevata che è stato possibile visualizzare le posizioni dei singoli atomi nel materiale. Il campione che hanno studiato era un film sottile in cui strati di un metallo, nitruro di afnio (HfN), circa 5 miliardesimi di metro di spessore, si alternano a strati di un semiconduttore, nitruro di scandio (ScN).

Le proprietà degli strati di HfN/ScN rendono questo materiale un candidato idoneo per l'uso in, Per esempio, tecnologia di rivestimento e microelettronica. Per motivi di stabilità è molto importante che gli strati di metallo e semiconduttore non si mescolino. I problemi sorgono se gli atomi si diffondono attraverso uno strato intermedio formando un ponte chiuso tra gli strati del film, simile a un cortocircuito elettrico.

"Il materiale che abbiamo studiato funge da perfetto sistema modello, ma questo tipo di diffusione avviene in quasi tutti i materiali. Metalli e semiconduttori si trovano in tutti i componenti elettronici utilizzati nei telefoni cellulari, computer, ecc. Ecco perché è importante che gli scienziati dei materiali comprendano questo tipo di diffusione, "dice Magnus Garbrecht, professore associato presso il Dipartimento di Fisica, Chimica e Biologia all'Università di Linköping.

La scoperta descritta nell'articolo è avvenuta quando Magnus Garbrecht ha riscaldato l'HfN/ScN a 950 °C. Notò che l'afnio si stava diffondendo negli strati sottostanti. Si è scoperto che era presente un difetto nel materiale in cui si è verificato questo fenomeno. I ricercatori hanno riscaldato il materiale più volte e successivamente lo hanno esaminato utilizzando lo STEM e misurato la distanza di spostamento dei singoli atomi.

"I valori che abbiamo misurato concordano bene con quelli di precedenti esperimenti con metodi indiretti e con i modelli teorici, e questo ci rende fiduciosi che ciò che stiamo vedendo è davvero una diffusione-tubo di dislocazione, "dice Magnus Garbrecht.

I ricercatori forniscono una spiegazione del motivo per cui gli atomi si diffondono quando il materiale viene riscaldato. I singoli atomi sono leggermente spostati l'uno rispetto all'altro nelle regioni attorno ai difetti lineari. Gli atomi tendono a disporsi in una perfetta simmetria cubica, e la tensione si accumula all'interno del reticolo quando questa disposizione è disturbata. I ricercatori mostrano nello studio che questo ceppo si rilassa quando gli atomi si diffondono.

"La diffusione riduce la deformazione nel materiale ed è per questo che si verifica solo lungo i difetti lineari che attraversano il materiale, "dice Magnus Garbrecht.