Evoluzione degli schemi di diffusione dei raggi X durante la deposizione in fase vapore di atomi di Al su ossido di silicio. Riquadro:un'immagine al microscopio a forza atomica del film alla fine dell'esperimento.
(Phys.org) —Il fondamento di molti dispositivi elettronici moderni, come chip per computer, sono film sottili – strati di spessore nanometrico di un materiale cresciuti sulla superficie di un altro. Poiché i consumatori continuano a richiedere prodotti più eleganti e veloci, comprendere l'evoluzione della crescita del film sottile aiuterà gli scienziati a imparare a personalizzare i film sottili per le nuove tecnologie.
In alcuni casi i film crescono strato dopo strato, ogni strato spesso un atomo, mentre in altri casi gli atomi depositati su una superficie formano isole tridimensionali che crescono, urtano e si fondono in un film continuo. In quest'ultimo caso, gli scienziati hanno tradizionalmente assunto che le isole in crescita siano omogenee, con dimensioni simili, e si uniscono più o meno nello stesso momento. Però, in un recente studio, utilizzando i raggi X prodotti presso la National Synchrotron Light Source (NSLS), I ricercatori della Boston University (BU) hanno studiato la crescita delle isole in tempo reale, scoprendo che il processo è più dinamico di quanto suggerito dalla visione tradizionale.
Il gruppo ha determinato che l'evoluzione dell'isola corrisponde al comportamento previsto da un modello semplice ma dettagliato della deposizione, crescita, e coalescenza di goccioline liquide, noto come modello Family-Meakin (FM). Inoltre, propongono che altri tipi di film sottili cresciuti dal meccanismo dell'isola possano comportarsi allo stesso modo durante le prime fasi della crescita. Descrivono il loro lavoro nel 7 settembre, 2012, edizione di Lettere di revisione fisica .
Il fisico della BU Karl Ludwig spiega, "È sorprendente per molte persone che ci siano ancora cose fondamentali da imparare su un processo apparentemente semplice come la crescita di un film sottile tridimensionale. Tuttavia, come spesso accade, quando disponiamo di un nuovo strumento che consente indagini in tempo reale con dettagli senza precedenti, impariamo che la realtà è più complessa, e più intrigante, di quanto spesso si supponesse."
Alla linea di luce NSLS X21, utilizzando una stazione di ricerca sviluppata per studiare le superfici dei materiali e i film sottili in tempo reale, il gruppo BU ha depositato l'alluminio su due superfici, ossido di silicio e zaffiro. I campioni sono stati posti all'interno di una camera a vuoto ultraelevato, e il film sottile è stato depositato molto lentamente in modo che gli scienziati potessero eseguire più scansioni a raggi X della superficie durante la crescita e "osservare" l'evoluzione del film di alluminio in tempo reale.
Le scansioni a raggi X hanno suggerito che gli atomi depositati inizialmente si sono riuniti per formare minuscole isole con diametri di appena un paio di nanometri (miliardesimi di metro) e poi hanno cominciato a fondersi, formando isole più grandi di circa 10 nm di diametro (l'esperimento non è stato abbastanza lungo per completare la crescita del film, ma le isole alla fine si fonderebbero in uno strato continuo). Ciò è stato successivamente confermato dalle immagini del microscopio a forza atomica (AFM) del campione, presa dopo che l'esperimento era terminato e il campione era stato estratto dalla camera. Con altezze finali di circa 3 nm, le isole erano "fortemente tridimensionali". Infatti, le immagini AFM scattate alla fine dello studio mostravano isole relativamente alte con forme approssimativamente emisferiche.
I risultati mostrano diversi modi in cui l'evoluzione del film concorda con il comportamento delle gocce liquide come previsto dalla teoria FM - anche se il film è solido, non liquido. Ad esempio, l'evoluzione delle isole è autosimile, il che significa che la geometria media in un secondo momento sembra simile a quella in un momento precedente, ma con scale di lunghezza aumentate ("scalate") da una legge di potenza.
L'ingrediente chiave che incorpora il modello FM, che mancava nella visione tradizionale della crescita insulare, è la coalescenza delle isole a formarne di nuove, isole compatte quando si scontrano. Ciò porta a una morfologia caratteristica osservata nelle immagini AFM in cui molte isole minori sono disperse tra isole più grandi che si formano quando quelle piccole si combinano. Tale coalescenza dovrebbe essere un fenomeno diffuso per le piccole isole su superfici, e comprenderlo potrebbe portare a un migliore controllo dei film ultrasottili per uso tecnologico.
