Dalla vernice su un muro ai finestrini delle auto oscurati, i film sottili costituiscono un'ampia varietà di materiali che si trovano nella vita ordinaria. Ma i film sottili vengono utilizzati anche per costruire alcune delle tecnologie più importanti di oggi, come chip per computer e celle solari. Cercando di migliorare le prestazioni di queste tecnologie, gli scienziati stanno studiando i meccanismi che spingono le molecole a impilarsi uniformemente in strati, un processo chiamato crescita del film sottile cristallino. Ora, una nuova tecnica di ricerca potrebbe aiutare gli scienziati a comprendere questo processo di crescita meglio che mai.

Ricercatori dell'Università del Vermont, Università di Boston, e il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno dimostrato una nuova capacità sperimentale per osservare la crescita del film sottile in tempo reale. Utilizzando la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE a Brookhaven, i ricercatori sono stati in grado di produrre un "filmato" sulla crescita del film sottile che descrive il processo in modo più accurato rispetto alle tecniche tradizionali. La loro ricerca è stata pubblicata il 14 giugno 2019 in Comunicazioni sulla natura .

Come crescono i film sottili

Come costruire un muro di mattoni, i film sottili "crescono" impilando in strati sovrapposti. In questo studio, gli scienziati si sono concentrati sul processo di crescita di un nanomateriale chiamato C60, che è popolare per il suo uso nelle celle solari organiche.

"C60 è una molecola sferica che ha la struttura di un pallone da calcio, ", ha affermato il fisico Randall Headrick dell'Università del Vermont, autore principale della ricerca. "C'è un atomo di carbonio in tutti gli angoli dove si incontrano le macchie "nere" e "bianche", per un totale di 60 atomi di carbonio."

Sebbene le molecole sferiche di C60 non si adattino perfettamente una accanto all'altra come i mattoni nel muro, creano ancora uno schema uniforme.

"Immagina di avere un grosso bidone e di riempirlo con uno strato di biglie, "Ha detto Headrick. "Le biglie si impacchettano insieme in un bel motivo esagonale lungo il fondo del cestino. Quindi, quando hai posato il successivo strato di biglie, si adatterebbero nelle aree vuote tra i marmi nello strato inferiore, formando un altro strato perfetto. Stiamo studiando il meccanismo che provoca le biglie, o molecole, per trovare questi siti ordinati."

Ma nella vita reale, le pellicole sottili non si impilano uniformemente. Quando si riempie un cestino di biglie, Per esempio, potresti avere tre strati di biglie su un lato del cestino e solo uno strato sull'altro lato. Tradizionalmente, questa disuniformità nei film sottili è stata difficile da misurare.

"In altri esperimenti, abbiamo potuto studiare solo un singolo cristallo che è stato appositamente lucidato in modo che l'intera superficie si comporti allo stesso modo allo stesso tempo, " ha detto Headrick. "Ma non è così che si comportano i materiali nella vita reale".

Studio della crescita del film sottile attraverso raggi X coerenti

Per raccogliere dati che descrivono in modo più accurato la crescita del film sottile, Headrick è andato alla linea di luce Coherent Hard X-ray Scattering (CHX) a NSLS-II per progettare un nuovo tipo di esperimento, uno che utilizzava i raggi X coerenti della linea di luce. Il team ha utilizzato una tecnica chiamata spettroscopia di correlazione di fotoni a raggi X.

"Tipicamente, quando fai un esperimento a raggi X, vedi informazioni medie, come la dimensione media delle molecole o la distanza media tra loro. E man mano che la superficie di un materiale diventa meno uniforme o "più ruvida, ' le caratteristiche che cerchi scompaiono, " ha detto Andrei Fluerasu, scienziato capo della linea di luce presso CHX e coautore della ricerca. "La particolarità di CHX è che possiamo utilizzare un raggio di raggi X coerente che produce uno schema di interferenza, che può essere pensato come un'impronta digitale. Come un materiale cresce e cambia, anche la sua impronta digitale."

L'"impronta digitale" prodotta da CHX appare come un motivo a puntini e rappresenta l'esatta disposizione delle molecole nello strato superiore del materiale. Man mano che gli strati continuano ad accumularsi, gli scienziati possono osservare il cambiamento dell'impronta digitale come se fosse un film della crescita del film sottile.

"Questo è impossibile da misurare con altre tecniche, " disse Fluerasu.

Attraverso l'elaborazione informatica, gli scienziati sono in grado di convertire i modelli speckle in funzioni di correlazione più facili da interpretare.

"Ci sono strumenti come i microscopi ad alta risoluzione che possono effettivamente creare un'immagine reale di questo tipo di materiali, ma queste immagini di solito mostrano solo viste ristrette del materiale, " ha detto Headrick. "Un modello di macchioline che cambia nel tempo non è così intuitivo, ma ci fornisce dati molto più rilevanti per il caso reale".

Co-autore Lutz Wiegart, uno scienziato della linea di luce presso CHX, aggiunto, "Questa tecnica ci permette di comprendere le dinamiche dei processi di crescita e, perciò, capire come si riferiscono alla qualità dei film e come possiamo mettere a punto i processi".

Le osservazioni dettagliate di C60 da questo studio potrebbero essere utilizzate per migliorare le prestazioni delle celle solari organiche. Andando avanti, i ricercatori intendono utilizzare questa tecnica anche per studiare altri tipi di film sottili.