(PhysOrg.com) - Quasi tre anni fa un team di scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (Berkeley Lab) stava eseguendo un esperimento in cui venivano riscaldati strati di oro di soli nanometri (miliardesimi di metro) su una superficie piana di silicone e poi lasciata raffreddare. Hanno guardato con sorpresa mentre caratteristiche peculiari si espandevano e cambiavano sullo schermo del loro microscopio elettronico, infine stabilendosi in cerchi circondati da vesciche irregolari.

I cerchi variavano di diametro fino a pochi milionesimi di metro, e al centro di ciascuno c'era un quadrato perfetto. I modelli misteriosi non ricordavano niente tanto quanto i cosiddetti cerchi nel grano "alieni".

Fino a poco tempo fa la causa di queste strane formazioni rimaneva un mistero. Ora le intuizioni teoriche hanno spiegato cosa sta succedendo, e i risultati sono stati pubblicati online da Lettere di revisione fisica .

Leghe facilmente fondenti

Quando due solidi sono combinati nelle giuste proporzioni, i cambiamenti nel legame chimico possono produrre una lega che fonde a una temperatura molto più bassa di quella che può fondere da sola. Tale lega è detta eutettica, Greco per "buona fusione". La lega eutettica di oro e silicio - 81 percento di oro e 19 percento di silicio - è particolarmente utile nella lavorazione di semiconduttori su scala nanometrica come nanofili, nonché interconnessioni di dispositivi in ​​circuiti integrati; si liquefa a un modesto 363˚ Celsius, molto più basso del punto di fusione dell'oro puro, 1064°C, o silicio puro, 1414 °C.

"Il liquido eutettico oro-silicio può saldare in sicurezza strati di chip insieme o formare fili conduttori microscopici, scorrendo in canali nel substrato senza bruciare l'ambiente circostante, ", afferma Junqiao Wu di Berkeley Lab. "È particolarmente interessante per l'elaborazione di materiali e dispositivi su scala nanometrica". Wu cita l'esempio dei nanofili di silicio, che può essere coltivato da perline di liquido eutettico che si formano da goccioline d'oro. Le perle catalizzano la deposizione di silicio da un vapore chimico e viaggiano in cima a baffi di nanofili che si allungano continuamente.

Capire come e perché questo accade è stata una sfida. Sebbene le leghe eutettiche siano ben studiate come solide, lo stato liquido presenta più ostacoli, che sono particolarmente formidabili su scala nanometrica a causa della tensione superficiale notevolmente aumentata - le stesse forze superficiali che rendono difficile la formazione di film d'acqua ultrasottili, Per esempio, perché tirano l'acqua in goccioline. A scale più piccole il rapporto tra superficie e volume aumenta notevolmente, e le strutture su scala nanometrica sono state descritte virtualmente come "tutte le superfici".

Queste sono le condizioni che il team guidato da Wu, che è uno scienziato di facoltà presso la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e professore presso il Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali dell'Università della California a Berkeley, deciso di esaminare, creando i film più sottili possibili di leghe eutettiche oro-silicio. I ricercatori lo hanno fatto partendo da un substrato di silicio puro, sulla cui superficie piana si era formato uno strato barriera estremamente sottile (spessore due nanometri) di biossido di silicio. Su questa superficie posero strati d'oro puro, variando lo spessore da una prova all'altra tra pochi nanometri fino a ben 300 nanometri. La barriera al biossido di silicio impediva al silicio puro di mescolarsi con l'oro.

Il passo successivo è stato quello di riscaldare il campione stratificato a 600°C per diversi minuti, non abbastanza caldo da fondere l'oro o il silicio ma abbastanza caldo da causare l'allargamento dei fori di spillo naturalmente esistenti nel sottile strato di biossido di silicio in piccoli punti deboli, attraverso il quale il silicio puro potrebbe entrare in contatto con l'oro sovrastante. Ad alta temperatura, gli atomi di silicio si diffondono rapidamente dal substrato e nell'oro, formando uno strato di lega eutettica oro-silicio quasi dello stesso spessore dell'oro originale e diffondendosi in un cerchio praticamente perfetto dal foro centrale.

Quando il disco circolare di lega eutettica divenne abbastanza grande si ruppe improvvisamente, interrotto dall'elevata energia superficiale del liquido eutettico oro-silicio. I detriti sono stati letteralmente trascinati fino ai bordi del disco, ammucchiandosi intorno ad esso per lasciare una zona centrale denudata di biossido di silicio nudo.

Al centro della zona spogliata, restava un quadrato perfetto di oro e silicio.

Chimica e cristallografia, non alieni

La scoperta più sorprendente dei ricercatori è stata che più sottile è lo strato d'oro originale, più velocemente si espandevano i circoli eutettici. La velocità di reazione quando gli strati d'oro erano spessi solo 20 nanometri era più di 20 volte più veloce rispetto a quando gli strati erano spessi 300 nanometri. E mentre a prima vista le dimensioni dei quadrati d'oro e di silicio all'interno delle zone circolari denudate sembravano variabili, esisteva infatti una stretta relazione tra la grandezza del quadrato e la grandezza del cerchio:il raggio del cerchio era sempre la lunghezza del quadrato elevato alla potenza di 3/2.

Come sono arrivate le piazze in primo luogo? Hanno avuto origine come punti deboli che erano le fonti della diffusione dei cerchi eutettici oro-silicio; quando l'eutettico circolare è stato rotto i quadrati si sono riempiti con lo stesso eutettico, che rimase al centro delle zone spoglie. Mentre si raffreddavano, l'oro e il silicio all'interno dei quadrati separati, lasciando bordi nettamente definiti che erano puro silicio; i centri erano quadrati più rozzamente delineati di oro puro.

Tagliando il layercake silicio/biossido di silicio/oro e osservando lateralmente le strutture con un microscopio elettronico, i ricercatori hanno scoperto che i quadrati di superficie erano le basi delle piramidi invertite, simili a denti che penetrano nel sottile strato di biossido di silicio e sono incorporati nel wafer di silicio. I quadrati erano quadrati, infatti, a causa dell'orientamento del silicio:il substrato era stato tagliato lungo il piano cristallino che ne definiva la base. I quattro lati triangolari delle piramidi giacevano lungo i piani a bassa energia del reticolo cristallino ed erano definiti dalle loro intersezioni.

Quello che è iniziato come un fenomeno sconcertante che ricorda "The X Files, "se su una scala considerevolmente più piccola di quella cosmica, il mistero dei "cerchi nel grano su scala nanometrica" ​​alla fine ha ceduto a un'attenta osservazione e analisi teorica - nonostante gli ostacoli posti dalle alte temperature, dimensioni su scala nanometrica, instabilità dello stato liquido, e tempi estremamente rapidi.

"Abbiamo scoperto che la velocità di reazione nella formazione di liquidi eutettici oro-silicio di piccole dimensioni - e forse anche in molti altri eutettici - è dominata dallo spessore degli strati reagenti, ", afferma Wu. "Questa scoperta potrebbe fornire nuove strade per l'ingegneria e la lavorazione di materiali su scala nanometrica".