La più recente e brillante sorgente di luce di sincrotrone al mondo, la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, ha prodotto una delle prime pubblicazioni risultanti dal lavoro svolto durante la fase di commissioning scientifico della struttura.

Pubblicato il 7 luglio nell'edizione online del Giornale dell'Unione Internazionale di Cristallografia (rivista lanciata di recente dall'Unione Internazionale di Cristallografia), il documento discute un nuovo modo di applicare uno strumento di analisi della struttura locale ampiamente utilizzato, noto come analisi della funzione di distribuzione della coppia atomica (PDF), ai dati di diffusione dei raggi X da film sottili, fornendo rapidamente informazioni di alta qualità sulla struttura atomica dei film. Il lavoro crea nuove strade per gli studi sui film sottili nanocristallini.

Questo lavoro mostra che NSLS-II, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE con raggi X ultra-concentrati, si sta già dimostrando un punto di svolta negli studi sui film sottili, che svolgono un ruolo fondamentale in un gran numero di tecnologie, compresi chip per computer e celle solari.

Le sfide del film sottile

Nelle applicazioni e durante gli esperimenti, film sottili (definiti come aventi spessori da pochi a più di 1000 nanometri, o miliardesimi di metro) sono depositati su una base spessa, chiamato substrato, spesso costituiti da wafer cristallini di silicio, biossido di silicio, o ossido di alluminio. È estremamente difficile studiare la struttura dei materiali in questa geometria a causa della piccola quantità di materiale in pellicola e della grande quantità di substrato. Per ridurre al minimo la dispersione dei raggi X sul substrato, che tende a oscurare i dati dal piccolo volume di campione, Gli studi a raggi X su film sottile vengono eseguiti utilizzando esperimenti di raggi X a incidenza radente (GI).

Negli studi gastrointestinali, il raggio di raggi X sfiora la superficie del film in modo tale che si rifletta sul substrato, consentendo al raggio di illuminare il più possibile la pellicola riducendo al minimo la penetrazione attraverso la pellicola nel substrato. Però, il piccolo angolo di incidenza rende notoriamente difficili gli studi GI e introduce serie complessità nell'analisi dei dati.

"Gli esperimenti di diffrazione a incidenza radente sono difficili per i materiali cristallini, e non è mai stato fatto con successo per ottenere PDF da film, ", ha detto uno degli autori del giornale, Simone Billinge, un fisico con una posizione congiunta alla Brookhaven e alla School of Engineering and Applied Science della Columbia University. "Gli esperimenti sono troppo scrupolosi e l'analisi dei dati è estremamente impegnativa".

Studiare il "quartiere atomico"

Il PDF fornisce informazioni strutturali atomiche locali, ovvero dati per le vicinanze di atomi - ottenendo le distanze tra tutte le coppie di atomi nel campione. Queste distanze vengono visualizzate come picchi nei dati. Negli ultimi anni, Il PDF è diventato una tecnica standard negli studi strutturali di materiali complessi e può essere utilizzato per campioni sfusi o su scala nanometrica, amorfo o cristallino.

L'approccio che Billinge e i suoi colleghi hanno ideato sfrutta gli alti flussi di fotoni provenienti da NSLS-II, quale, insieme a nuovi metodi di riduzione dei dati recentemente sviluppati nel suo gruppo, crea dati adatti per l'analisi PDF da un film sottile. Essenzialmente, capovolge l'esperimento GI standard:il raggio viene semplicemente inviato attraverso il film dalla parte posteriore alla parte anteriore.

Eric Dooryhee, lo scienziato capo per la linea di luce di diffrazione di raggi X su polvere (XPD) NSLS-II, dove si è svolto il lavoro, spiegato, "Il primo gruppo di linee di luce NSLS-II sta ora passando con successo dalla messa in servizio tecnica, iniziata nell'autunno del 2014 quando abbiamo prodotto per la prima volta la luce a raggi X, verso l'incarico scientifico, dove confrontiamo e testiamo le capacità della linea di luce su campioni reali. Estrarre il piccolo segnale del film sottile dal grande segnale del substrato in questa geometria di incidenza normale è estremamente difficile dal punto di vista tecnico. Ciò nonostante, Ho detto a Simon che XPD dovrebbe essere all'altezza della sfida".

Anteprima delle scoperte future

Il gruppo ha testato PDF a film sottile (che chiamano tfPDF) con film sottili sia cristallini che amorfi, ciascuno di circa 360 nm di spessore. La collaborazione include i gruppi di Bo Iversen dell'Università di Aarhus in Danimarca e Dave Johnson dell'Università dell'Oregon, che ha preparato i film sottili.

Il primo campione studiato era un film amorfo di ferro-antimonio su un substrato di borosilicato amorfo montato perpendicolarmente al fascio di raggi X. Per isolare il contributo dal film, il contributo del substrato è stato prima determinato misurando il modello di dispersione da un substrato pulito. Il segnale del film è appena visibile nei dati grezzi sopra il grande contributo del substrato, ma potrebbe essere chiaramente estratta durante l'elaborazione dei dati. Ciò ha consentito un affidabile, PDF a basso rumore che può essere modellato con successo per ottenere la struttura atomica quantitativa del film.

I dati hanno portato a PDF di alta qualità sia per i film amorfi che cristallini, confermati dal confronto con i campioni di controllo in una configurazione PDF standard. Sulla base del successo di queste prime misurazioni, il gruppo Billinge e il team XPD stanno ora pianificando esperimenti futuri per vedere i film cristallizzarsi in tempo reale, nel raggio.

"La scoperta che possiamo ottenere PDF da campioni in geometria a film sottile così facilmente rivoluzionerà quest'area della scienza, " ha detto Kirsten Jensen, un ricercatore post-dottorato nel gruppo di Billinge alla Columbia. "Gli esperimenti non richiedono alcuna attrezzatura o esperienza specializzata oltre alla configurazione della linea di luce presso XPD e sono rapidi, aprendo la strada a studi in situ risolti nel tempo sui cambiamenti nella struttura del film in fase di elaborazione, nonché a studi risolti spazialmente su film nanostrutturati in atto".

Aggiunto Billinge, "Questo è un nuovo entusiasmante risultato di per sé, ma ci dà solo un assaggio delle possibilità che NSLS-II presenterà man mano che la potenza aumenterà nei prossimi anni. Questa è la punta dell'iceberg di ciò che sarà possibile quando NSLS-II funzionerà a piena potenza".