Meccanica quantistica, letteralmente:il diagramma schematico illustra come si sviluppa uno stress meccanico nei nanofilm di alluminio di cinque e sette strati atomici di spessore a causa di effetti quantistici. L'energia degli elettroni, rappresentato nell'oscillazione decadente, dipende dallo spessore del film. Per raggiungere un minimo di energia degli elettroni, lo spessore del film deve cambiare. Un film di cinque strati atomici di spessore è costretto a comprimersi perpendicolarmente alla superficie, dove al contrario, un film a sette strati atomici si rilassa perpendicolarmente alla superficie. Parallelamente al film il sistema vuole espandersi o contrarsi contemporaneamente, rispettivamente. Però, questo è impossibile perché gli atomi di alluminio sono fissati sul substrato. Si sviluppa quindi una sollecitazione di compressione o trazione che è indicata dalle frecce gialle. Significano la forza che si sviluppa per impedire la rispettiva espansione o contrazione. Credito:David Flötotto / MPI per sistemi intelligenti
(Phys.org)—Leggi le testine nei dischi rigidi, laser nei lettori DVD, transistor su chip per computer, e molti altri componenti contengono tutti pellicole ultrasottili di materiali metallici o semiconduttori. Le sollecitazioni sorgono nei film sottili durante la loro fabbricazione. Questi influenzano le proprietà ottiche e magnetiche dei componenti, ma anche causare difetti nei reticoli cristallini, e alla fine, portare a guasti dei componenti. Come hanno stabilito i ricercatori del dipartimento di Eric Mittemeijer presso il Max Planck Institute for Intelligent Systems di Stoccarda, enormi sollecitazioni nei film sono create da un meccanismo quantomeccanico finora sconosciuto, basata su un effetto chiamato confinamento quantistico. Questo effetto può causare sollecitazioni pari a mille volte la pressione atmosferica standard, dipendente dallo spessore. La conoscenza di ciò potrebbe essere utile per controllare le proprietà ottiche e meccaniche dei sistemi a film sottile e aumentare la loro stabilità meccanica. Inoltre, sensori molto sensibili potrebbero essere sviluppati anche sulla base di queste conoscenze.
Film di metallo, i materiali semiconduttori o le ceramiche possono essere coltivati oggi uno strato atomico alla volta su substrati cristallini come il silicio. Nonostante questa precisione atomica, i difetti si presentano invariabilmente nei reticoli cristallini di pellicole spesse solo pochi nanometri; a volte manca solo un atomo in un reticolo dove dovrebbe essere effettivamente uno. Questi tipi di difetti reticolari possono compromettere l'efficienza delle celle solari o dei laser a semiconduttore. Uno dei motivi sono gli stress che sorgono nel film. Fino ad ora, la ragione principale di queste sollecitazioni è stata considerata la crescita del film su un materiale diverso, in modo che il reticolo cristallino del film non coincidesse con quello del substrato. Le separazioni atomiche nel film sono state corrispondentemente contratte o espanse, con uno sviluppo di sollecitazioni di compressione o trazione. Scienziati dei materiali che lavorano con Eric Mittemeijer, Direttore del Max Planck Institute for Intelligent Systems di Stoccarda, hanno ora scoperto un meccanismo aggiuntivo in grado di creare enormi sollecitazioni nei film ultrasottili.
David Flötotto e i suoi colleghi hanno scoperto questo meccanismo analizzando lo stress nei film di alluminio ultrasottili. Hanno usato un apparato per questo che depone con precisione uno strato dopo l'altro di atomi di alluminio su un substrato di silicio, proprio come si costruisce un muro di mattoni. Misurando prima la sollecitazione in un singolo strato, poi in doppio strato, un triplo strato e così via, i ricercatori hanno scoperto come cambiava lo stress nel film di alluminio dopo la deposizione di ogni nuovo strato. Per fare questo, hanno determinato quanto il substrato di silicio si è deformato a causa di questo stress. E così facendo, hanno sorprendentemente stabilito che lo stress nel film fluttuava di circa 100 megapascal mentre si addensava. A confronto, la pressione standard dell'atmosfera a livello del mare è di circa 0,1 megapascal.
Il film si espande e si contrae, cercando il minimo energetico
La base di questo fenomeno risiede negli elettroni che si comportano diversamente in un film sottile di pochi strati atomici rispetto a un film più spesso. A causa della meccanica quantistica, le particelle elementari sono descritte non solo come particelle, ma anche come onde. Poiché lo spessore dei film di pochi strati atomici è solo leggermente maggiore della lunghezza d'onda degli elettroni, gli elettroni "sentono" i confini del film. Questo cosiddetto confinamento quantistico riduce drasticamente la flessibilità degli elettroni nell'assorbire e rilasciare energia. Gli elettroni quindi occupano solo stati energetici discreti.
L'energia degli elettroni fluttua con lo spessore del film in continuo aumento. Prima aumenta con lo spessore, poi diminuisce, aumenta di nuovo, e così via. Il principio che si applica qui è che sarà fatto tutto il possibile per ridurre al minimo l'energia del sistema. Il film cerca spessori per i quali l'energia degli elettroni è la più piccola possibile, cioè i minimi di questa fluttuazione. Se il film cresce di un nuovo strato di atomo più spesso, è un po' troppo spesso o troppo sottile per questo minimo. Nel primo caso, si contrae, in quest'ultimo caso si espande per raggiungere l'energia minima.
Le proprietà dei film ultrasottili ora possono essere adattate in modo più adeguato
L'espansione o la contrazione dello spessore del film fa sì che il reticolo atomico parallelo al film voglia espandersi o contrarsi, rispettivamente. Poiché non può farlo a causa della sua connessione fissa al substrato, nel film che i ricercatori hanno misurato si sviluppa una sollecitazione di trazione o compressione. Quando lo spessore del film è stato aumentato a cinque strati atomici, si contrae, e a sette strati atomici, si espande. Per spiegare le sollecitazioni misurate, i ricercatori di Stoccarda hanno sviluppato un modello che combina la teoria degli elettroni liberi e la legge di Hooke, come è noto, che descrive il comportamento elastico dei corpi solidi.
I ricercatori vedono molte potenziali applicazioni per la loro scoperta. "Meglio si comprende come si sviluppano le sollecitazioni in un film addensante, meglio si può controllare la sua crescita ed evitare difetti reticolari, " dice David Flötotto. Inoltre, la deformazione meccanica in un film sottile influenza il suo elettrico, proprietà ottiche e magnetiche. "Proprietà come queste ora possono essere adattate meglio ai film ultrasottili, " Flötotto è convinto. Le misurazioni dello stress possono essere utilizzate anche per determinare lo spessore di un film in crescita in modo molto preciso. Si potrebbe anche sfruttare l'effetto non da ultimo per sensori di gas altamente sensibili. Perché al momento della deposizione anche delle più piccole quantità di gas su la superficie, lo stato energetico degli elettroni e quindi le sollecitazioni nel film vengono alterati.
Il team sta ora lavorando per rendere possibile l'effetto anche per i film spessi (nell'intervallo di 100 nanometri). "Stiamo lavorando al momento per congelare lo stato di stress al fine di controllare lo stress anche in un film più spesso, " dice Flötotto. Proprietà come la sua stabilità meccanica possono così essere migliorate.
