Qualunque sia la dimensione dei telefoni cellulari o dei computer, il modo in cui operano tali dispositivi elettronici si basa sulle interazioni tra i materiali. Per questa ragione, ingegneri e ricercatori hanno bisogno di sapere esattamente come si comportano elementi chimici specifici all'interno di un chip di computer o di un diodo a transistor, e cosa succede quando questi elementi si legano. Fisici dell'Università Friedrich Schiller di Jena, Germania, hanno ora sviluppato un metodo innovativo che consente loro di ottenere diversi tipi di informazioni contemporaneamente dall'interno di un blocco costitutivo su nanoscala, e questo mentre è nello stato attivo. I ricercatori di Jena e i loro partner hanno riportato i loro risultati nell'attuale numero della rivista specializzata Progressi scientifici .

"Utilizzando il nostro metodo, possiamo ottenere allo stesso tempo informazioni sulla composizione degli elementi, la frazione tra gli elementi; sul loro grado di ossidazione, che significa il loro stato di valenza o la natura del legame; e infine, sui campi elettrici interni che si sono così creati, " spiega il Prof. Dr. Carsten Ronning dell'Università di Jena. "Questi sono tutti indicatori elementari per la funzione del componente, "aggiunge Ronin, chi dirige il progetto. Però, nella procedura sviluppata dai fisici, i componenti esaminati non devono essere preparati in modo elaborato o addirittura distrutti. "In linea di principio, possiamo radiografare i diodi di un telefono cellulare mentre è acceso, senza danneggiarlo, "dice Ronin.

Fascio di raggi X dall'acceleratore di particelle

Una caratteristica decisiva dell'approccio di ricerca è un fascio di raggi X molto finemente focalizzato, con cui i fisici di Jena hanno inizialmente sottoposto a raggi X un dispositivo realizzato appositamente per i loro esperimenti. "Abbiamo introdotto atomi di arsenico e gallio in un filo di silicio spesso circa 200 nanometri. Quando riscaldato, questi atomi si agglomerano in un punto, vale a dire, si ammassano insieme, che produce un componente funzionale, " spiega il prof. Ronning. "Abbiamo quindi eseguito un raggio di raggi X di 50 nanometri lungo il filo, irradiandolo così poco a poco».

I ricercatori hanno stabilito che questa disposizione miscela di materiali, simile a una cella solare, convertito i raggi X in corrente elettrica, che scorreva solo in una direzione, come in un diodo. In questo modo, i ricercatori hanno reso visibili i campi elettrici interni essenziali. Inoltre, la luce emessa dal componente. "I raggi X eccitano gli atomi nel blocco costitutivo, che emettono una radiazione caratteristica, " spiega il dottor Andreas Johannes, che ha condotto gli esperimenti. "In questo modo, otteniamo uno spettro, che ci fornisce preziose informazioni sui singoli elementi presenti e sui loro rapporti relativi." Se l'energia dei raggi X è alterata, vengono prodotti i cosiddetti spettri di assorbimento dei raggi X che consentono ai ricercatori di fare affermazioni sul grado di ossidazione degli elementi e, per estensione, riguardo alle obbligazioni stesse.

"Ora, è possibile ottenere tutti questi tipi di informazioni attraverso una misurazione utilizzando il nostro metodo, " afferma Andreas Johannes. Sebbene siano possibili risultati comparabili utilizzando la microscopia elettronica, in questi casi, i dispositivi devono essere appositamente preparati ed eventualmente distrutti, poiché la profondità di penetrazione del fascio di elettroni è sostanzialmente più limitata. Inoltre, tali misurazioni possono avvenire solo nel vuoto, mentre il metodo a raggi X è virtualmente indipendente da qualsiasi ambiente specifico.

Fino ad ora, fasci di raggi X così stretti potrebbero essere generati solo da acceleratori di particelle, ecco perché i fisici dell'Università di Jena hanno lavorato a stretto contatto con l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) di Grenoble, Francia, per sviluppare il nuovo metodo di misurazione. Queste strutture sono a disposizione sia dei ricercatori scientifici che dell'industria per radiografare i componenti esistenti con maggiore precisione, e soprattutto, sperimentare nuove combinazioni di materiali per creare componenti più performanti. "Per esempio, il nostro metodo può essere utile nello sviluppo di nuove batterie, " dice Andreas Johannes. "Poiché i ricercatori vorrebbero esaminare anche questi, soprattutto durante l'uso e pienamente operativo, ad esempio per determinare i gradi di ossidazione degli elementi."