Gli scienziati di Argonne rivelano connessioni mentre si formano strati cristallini.

Capire come crescono i cristalli ha un impatto su vaste aree della scienza dei materiali, dallo sviluppo di una migliore microelettronica alla scoperta di nuovi materiali. A livello atomico, i cristalli possono crescere in diversi modi, e gli scienziati hanno recentemente scoperto un comportamento intrigante associato a un modo comune in cui crescono i cristalli.

In questa modalità di crescita dei cristalli, chiamato ""strato per strato, " la superficie del cristallo inizia molto liscia a livello atomico. I nuovi atomi che arrivano sulla superficie tendono a pattinare finché non si trovano l'un l'altro. Quando ciò accade, iniziano a formare un nuovo strato dello spessore di un atomo unendosi, creando una regione piatta conosciuta come un'isola. Man mano che arrivano più atomi, isole aggiuntive si formano in altri punti della superficie. Alla fine le isole crescenti coprono l'intera superficie, fondendosi per formare un nuovo strato atomico.

"Se comprendiamo come crescono i cristalli in questa modalità, potremmo essere in grado di comprendere meglio alcuni dei meccanismi alla base della formazione dei difetti, oltre a sviluppare tecniche per sintetizzare nuovi tipi di cristalli, " ha detto Peter Zapol, Scienziato dei materiali Argonne.

In un nuovo studio dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), gli scienziati hanno scoperto che la disposizione apparentemente casuale delle isole che si formano per iniziare nuovi strati può in realtà essere molto simile da uno strato all'altro.

Utilizzando tecniche di diffusione di raggi X coerenti per osservare la superficie del cristallo su scala atomica durante la crescita dei cristalli, i ricercatori sono stati in grado di caratterizzare l'esatta disposizione delle isole mentre si formano, o ?"nucleate, " in ogni strato del cristallo.

"Puoi pensare a quello che stiamo facendo come qualcosa come fare i pancake in padella, " ha detto Argonne Distinguished Fellow e autore dello studio Brian Stephenson. ' le nostre isole frittelle iniziano a correre insieme e a fondersi. La cosa interessante è che ogni volta che cresciamo un nuovo livello, lo schema delle frittelle ripete lo schema dello strato originale."

Una considerazione importante che Stephenson ha notato è che la nucleazione di nuove isole non è stata influenzata da difetti nella struttura cristallina, vale a dire, non era controllato da regioni statiche dove sarebbe più probabile che si verificasse la nucleazione.

"Questa è una relazione dinamica; lo strato che è quasi completamente cresciuto comunica con lo strato che sta cominciando a crescere su di esso, " ha detto il fisico di Argonne Peter Zapol, un altro autore dello studio.

Mentre lo strato inferiore continua a riempirsi, i restanti fori tendono a verificarsi in aree lontane dai siti di nucleazione originari. Poiché questi fori scoraggiano la nucleazione dello strato successivo nelle loro vicinanze, la nucleazione dello strato successivo tenderà ad avvenire lontano dai fori e vicino ai siti di nucleazione originari.

"Gli schemi persistenti che vediamo indicano che c'è comunicazione tra gli strati, "Ha detto Stephenson. "C'è un vestigio del primo strato che fornisce informazioni al successivo."

La capacità di caratterizzare i modelli dell'isola deriva dall'uso da parte dei ricercatori di raggi X coerenti forniti dall'Advanced Photon Source di Argonne, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. Secondo Stephenson, i raggi X incoerenti utilizzati in esperimenti precedenti sono stati in grado di rivelare solo caratteristiche medie del paesaggio dell'isola, mentre i fasci coerenti sono sensibili all'esatta disposizione dell'isola.

"La vecchia maniera ci ha appena detto la distanza media e la forma delle isole, con fasci di raggi X coerenti, siamo in grado di generare molte più informazioni, " ha detto. "La risoluzione è diventata così buona che ora siamo in grado di risolvere le correlazioni nell'intero campione, il che significa che possiamo vedere cose come questo schema che ci dice come le isole si relazionano tra loro."

La modellazione delle dinamiche di crescita a livello atomico ha aiutato i ricercatori a raggiungere una comprensione più profonda della crescita dei cristalli, ha detto Zapol. ?"Se comprendiamo come crescono i cristalli in questa modalità, potremmo essere in grado di comprendere meglio alcuni dei meccanismi alla base della formazione dei difetti, così come sviluppare tecniche per sintetizzare nuovi tipi di cristalli."

Un documento basato sullo studio, "La spettroscopia a raggi X coerente rivela la persistenza di disposizioni insulari durante la crescita strato per strato, " apparso nel numero del 4 marzo di Fisica della natura . Altri autori Argonne inclusi Guangxu Ju, Dongwei Xu, Matteo Altopiano, Jeffrey Eastman, Paul Fuoss, e Hua Zhou. Hanno contribuito anche Carol Thompson della Northern Illinois University e Hyunjung Kim della Sogang University in Corea del Sud.