Il siliciuro di europio ha da tempo attirato l'attenzione degli scienziati. Riconosciuto come promettente per l'elettronica e la spintronica, questo materiale è stato recentemente presentato da un team di fisici dalla Polonia, Germania e Francia a studi completi sulle vibrazioni del suo reticolo cristallino. I risultati hanno dato una sorpresa:depositati su un substrato di silicio, alcune strutture di siliciuro di europio sembrano vibrare in un modo che amplia chiaramente le possibilità di progettare nanomateriali con proprietà termiche su misura.

Le vibrazioni degli atomi nei reticoli cristallini dei materiali, conosciuti come fononi, non sono caotici. Anziché, sono governati dalla simmetria reticolare, massa atomica e altri fattori. Ad esempio, gli atomi in profondità nel solido oscillano in modo diverso rispetto alla sua superficie, e ancora diversamente quando la materia si forma, Per esempio, nanoisole cioè piccoli ammassi atomici su un substrato. Un team internazionale di fisici, composto da scienziati dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze (IFJ PAN) di Cracovia, il Karlsruhe Institute of Technology (KIT) e l'European Synchrotron (ESRF) a Grenoble, hanno esaminato per la prima volta in modo completo come le vibrazioni del reticolo cristallino del siliciuro di europio (EuSi2) cambiano a seconda della disposizione delle nanostrutture su un substrato di silicio. Lo studio ha prodotto risultati notevoli:è stato osservato un nuovo tipo di vibrazione nel campione in cui le nanoisole EuSi2 erano in contatto tra loro.

"Di solito nanoingegneria significa modificare il materiale su una scala di nanometri, o miliardesimi di metro. La ricerca sul siliciuro di europio a cui abbiamo partecipato ci permette di offrire qualcosa in più:nanoingegneria fononica, cioè ingegneria in cui non tanto la struttura del materiale è accuratamente progettata quanto le vibrazioni degli atomi nel suo reticolo cristallino, " afferma il dottor Przemyslaw Piekarz (IFJ PAN).

Il siliciuro di europio forma un cristallo, in cui ogni atomo di europio è circondato da 12 atomi di silicio. Il sistema mostra quella che è nota come simmetria tetragonale:la distanza tra gli atomi in una direzione è diversa rispetto alle due direzioni rimanenti. Questo composto metallico si lega facilmente al silicio, e ha anche una cosiddetta barriera Schottky (ovvero la barriera di energia potenziale incontrata dagli elettroni durante la loro transizione dal metallo al silicio). Tali materiali sono oggi di interesse in vista della loro potenziale applicazione nei sistemi nanoelettronici, Per esempio, nella tecnologia MOSFET utilizzata nella produzione dei moderni processori. Però, alle basse temperature EuSi2 presenta anche interessanti proprietà magnetiche, che lo rende attraente per il successore dell'elettronica:la spintronica.

Sebbene i composti di metalli delle terre rare e silicio svolgano un ruolo fondamentale nel trasporto del calore, tra gli altri, le loro vibrazioni reticolari non sono state finora studiate in modo completo. Nel frattempo, nei sistemi nanoelettronici in cui il calore viene generato in grandi quantità, le proprietà termiche di un materiale sono diventate importanti quanto le proprietà magnetiche o elettriche.

Un gruppo guidato dal Dr. Svetoslav Stankov (KIT, Germania) ha sviluppato una procedura per la preparazione di nanostrutture epitassiali EuSi2 depositando, in condizioni di vuoto ultraelevato, piccole quantità di atomi di europio su un substrato riscaldato di silicio monocristallino. Inoltre, mediante un'attenta regolazione della temperatura del substrato e della quantità di atomi di europio sono stati in grado di adattare la morfologia delle nanostrutture EuSi2 preparate sulla superficie del silicio.

"In questo esperimento abbiamo focalizzato la nostra attenzione su quattro campioni di siliciuro di europio che formano:un film uniforme, che potrebbe essere considerato come un cristallo solido, un film strettamente pieghettato, e due diversi assemblaggi di nanoisole, " spiega il dottor Stankov e aggiunge:"Una nanoisola è un ammasso discreto di atomi auto-organizzati su una superficie che raggiunge dimensioni di diverse decine di nanometri con un'altezza di una dozzina di nanometri. Si è scoperto che sono particolarmente interessanti i campioni in cui le nanoisole EuSi2 sono completamente isolate l'una dall'altra e quelli in cui le nanoisole sono a stretto contatto tra loro".

I campioni sono stati preparati nel sistema ad ultra alto vuoto alla linea di risonanza nucleare del sincrotrone ESRF a Grenoble dal gruppo KIT e studiati in situ mediante scattering anelastico nucleare (NIS).

"NIS è un metodo all'avanguardia per la misurazione diretta dello spettro energetico delle vibrazioni atomiche dei nanomateriali ad altissima risoluzione. In questa tecnica sperimentale il campione è illuminato con fotoni ad alta energia, selezionati in modo che il loro assorbimento da parte dei nuclei atomici ecciti o annienti vibrazioni reticolari di un certo tipo, ottenendo la densità fononica specifica dell'elemento degli stati, " aggiunge il dottor Stankov.

Gli studi teorici presso l'IFJ PAN sono stati condotti ab initio, basato sulle leggi fondamentali della meccanica quantistica e della fisica statistica, utilizzando il software PHONON scritto dal Prof. Krzysztof Parlinski (IFJ PAN). Il gruppo di Cracovia si è occupato non solo di modellare le vibrazioni del reticolo cristallino di strutture di siliciuro di europio, ma anche determinare le condizioni per condurre esperimenti nel sincrotrone ESRF.

"A Grenoble sono state registrate solo le energie di vibrazione degli atomi di europio. Le curve ottenute dalle misurazioni concordavano molto bene con i nostri calcoli per il cristallo solido e la superficie. Potremmo integrare questi dati con le nostre previsioni per i movimenti degli atomi di silicio, che ha aiutato a interpretare meglio i risultati, " dice il prof. Parlinski.

Risultati particolarmente interessanti sono stati ottenuti per i campioni con nanoisole. Nel caso di un substrato rivestito con nanoisole discrete è stato osservato un aumento significativo dell'ampiezza di vibrazione degli atomi di europio, fino al 70% rispetto alle vibrazioni nel cristallo. Un aumento così grande si traduce in possibilità significativamente maggiori nel campo della trasmissione del calore. L'effetto più interessante è apparso, però, nel campione con nanoisole adiacenti l'una all'altra. Vale a dire, vibrazioni aggiuntive con un'energia caratteristica sono state trovate alle interfacce tra le nanoisole. Sebbene teoricamente previsto in precedenza, la loro esistenza è stata confermata sperimentalmente per la prima volta. Costituiscono un'altra 'porta di accesso' attraverso la quale il materiale può scaricare calore nell'ambiente. Attraverso le nanoisole adiacenti diventa una realtà un aumento significativo dell'efficienza del trasferimento di calore nelle nanostrutture.

"Nell'analisi dei materiali gli scienziati di solito guardano alle proprietà di un campione di morfologia fissa. Abbiamo descritto un intero spettro di possibili morfologie superficiali di EuSi2. Un modello teorico avanzato e misurazioni precise ci hanno permesso per la prima volta di tracciare esattamente come le vibrazioni del reticolo cristallino di un nanomateriale cambiano a seconda della sua disposizione sul substrato, " ha sottolineato il dottor Piekarz.

La ricerca sulle nanostrutture di siliciuro di europio, finanziato dall'Associazione Helmholtz, il Karlsruhe Institute of Technology (progetto VH-NG-625) e da parte polacca dalla borsa HARMONIA del Polish National Science Centre, è di natura basilare. Però, le conoscenze acquisite, in particolare per quanto riguarda le vibrazioni del reticolo cristallino che si verificano all'interfaccia tra nanoisole adiacenti e i relativi drastici cambiamenti nel trasporto di calore, è universale. Dopo opportuno adattamento, questo fenomeno consentirà ai ricercatori di progettare nanomateriali diversi dal siliciuro di europio con proprietà termiche su misura.