Europiumsilicid har under en tid väckt forskarnas uppmärksamhet. Erkänd som lovande för elektronik och spintronik, detta material har nyligen lämnats in av ett team av fysiker från Polen, Tyskland och Frankrike till omfattande studier av vibrationerna i sitt kristallgitter. Resultaten gav en överraskning:avsatt på ett substrat av kisel, vissa strukturer av europiumsilicid verkar vibrera på ett sätt som tydligt vidgar möjligheterna att designa nanomaterial med skräddarsydda termiska egenskaper.

Atomernas vibrationer i kristallgallren av material, känd som fononer, är inte kaotiska. Istället, de styrs av gitterets symmetri, atommassa och andra faktorer. Till exempel, atomerna djupt i det fasta oscillerar annorlunda än på dess yta, och fortfarande annorlunda när materialet bildas, till exempel, nanoislands dvs. små atomkluster på ett substrat. Ett internationellt team av fysiker, bestående av forskare från Institute of Nuclear Physics of the Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) i Krakow, Karlsruhe Institute of Technology (KIT) och European Synchrotron (ESRF) i Grenoble, har för första gången utförligt undersökt hur vibrationerna i kristallgitteret av europiumsilicid (EuSi2) förändras beroende på nanostruktureringsarrangemanget på ett kiselsubstrat. Studien gav anmärkningsvärda resultat:en ny typ av vibrationer observerades i provet där EuSi2 nanoislands var i kontakt med varandra.

"Vanligtvis innebär nanoengineering att modifiera material i en skala av nanometer, eller miljarddels meter. Forskningen om europiumsilicid som vi deltog i gör att vi kan erbjuda något mer:phonon nanoengineering, dvs teknik där inte så mycket materialets struktur är noggrant utformad som vibrationer av atomer i dess kristallgitter, "säger Dr Przemyslaw Piekarz (IFJ PAN).

Europiumsilicid bildar en kristall, där varje europiumatom är omgiven av 12 kiselatomer. Systemet uppvisar det som kallas tetragonal symmetri:avståndet mellan atomer i en riktning är annorlunda än i de två återstående riktningarna. Denna metalliska förening binder lätt till kisel, och har också en rekordlåg så kallad Schottky-barriär (dvs barriären för potentiella energielektroner möter vid deras övergång från metallen till kisel). Sådana material är av intresse idag med tanke på deras potentiella tillämpning i nanoelektroniska system, till exempel, i MOSFET -teknik som används vid tillverkning av moderna processorer. Dock, vid låga temperaturer uppvisar EuSi2 också intressanta magnetiska egenskaper, vilket gör det attraktivt för efterföljaren av elektronik - spintronics.

Även om föreningar av sällsynta jordartsmetaller och kisel spelar en grundläggande roll i värmetransport, bland andra, deras gittervibrationer har hittills inte studerats utförligt. Under tiden, i nanoelektroniska system där värme genereras i stora mängder, termiska egenskaper hos ett material blev lika viktiga som de magnetiska eller elektriska egenskaperna.

En grupp ledd av Dr Svetoslav Stankov (KIT, Tyskland) har utvecklat ett förfarande för framställning av epitaxiella EuSi2 -nanostrukturer genom att deponera, i extremt höga vakuumförhållanden, små mängder europiumatomer på ett uppvärmt substrat av enstaka kristallint kisel. Dessutom, genom noggrann justering av substratets temperatur och mängden europiumatomer kunde de skräddarsy morfologin för de förberedda EuSi2 -nanostrukturerna på kiselytan.

"I detta experiment fokuserade vi vår uppmärksamhet på fyra europiumsilicidprover som bildar:en enhetlig film, som kan betraktas som en solid kristall, en tätt veckad film, och två olika församlingar av nanoislands, "förklarar Dr Stankov och tillägger:" Ett nanoisland är ett diskret kluster av självorganiserade atomer på en yta som når storlekar på flera tiotals nanometer med en höjd av ett tiotal nanometer. Det visade sig att särskilt intressanta är de prover där EuSi2 -nanoöarna är helt isolerade från varandra och de där nanoöarna är i nära kontakt med varandra. "

Proven bereddes i ultrahögvakuumsystemet vid ESRF-synkrotronens nukleära resonansstråle i Grenoble av KIT-gruppen och undersöktes in situ genom nukleär oelastisk spridning (NIS).

"NIS är en toppmodern metod för direktmätning av energispektrumet för atomvibrationer i nanomaterial med mycket hög upplösning. I denna experimentella teknik belyses provet med högenergifoton, utvalda så att deras absorption genom atomkärnor exciterar eller förintar gittervibrationer av ett visst slag, vilket ger den elementspecifika fonondensiteten hos tillstånd, "tillägger Dr Stankov.

Teoretiska studier vid IFJ PAN utfördes ab initio, baserat på de grundläggande lagarna i kvantmekanik och statistisk fysik, med hjälp av PHONON -programvara skriven av Prof. Krzysztof Parlinski (IFJ PAN). Krakow -gruppen behandlade inte bara modellering av vibrationerna i kristallgitterna hos strukturer av europiumsilicid, men också bestämma villkoren för att genomföra experiment i ESRF -synkrotronen.

"I Grenoble registrerades endast vibrationerna av europiumatomer. Kurvorna från mätningarna överensstämde mycket väl med våra beräkningar för den fasta kristallen och ytan. Vi kunde komplettera dessa data med våra förutsägelser för rörelser av kiselatomer, vilket hjälpte till att tolka resultaten bättre, "säger professor Parlinski.

Särskilt intressanta resultat erhölls för proverna med nanoislands. När det gäller ett substrat belagt med diskreta nanoöar observerades en signifikant ökning av vibrationsamplituden för europiumatomer, upp till 70% i förhållande till vibrationerna i kristallen. En så stor ökning innebär betydligt större möjligheter inom värmeöverföring. Den mest intressanta effekten dök upp, dock, i provet med nanoislands angränsande till varandra. Nämligen, ytterligare vibrationer med en karakteristisk energi hittades vid gränsytorna mellan nanoöarna. Även om teoretiskt förutspåddes tidigare, deras existens bekräftades experimentellt för första gången. De utgör en annan "gateway" genom vilken material kan släppa ut värme till miljön. Med hjälp av de angränsande nanoöarna blir en betydande ökning av effektiviteten för värmeöverföring i nanostrukturer verklighet.

"I analysen av material tittar forskare vanligtvis på egenskaperna hos ett urval av fast morfologi. Vi har beskrivit ett helt spektrum av möjliga ytmorfologier för EuSi2. En avancerad teoretisk modell och exakta mätningar har gjort att vi för första gången exakt kan spåra hur vibrationerna i kristallgitterna i ett nanomaterial förändras beroende på dess placering på underlaget, "betonade doktor Piekarz.

Forskningen om nanostrukturer av europiumsilicid, finansierad av Helmholtzföreningen, Karlsruhe Institute of Technology (projekt VH-NG-625) och på polsk sida av HARMONIA-bidraget från Polish National Science Center, är av grundläggande karaktär. Dock, den kunskap som erhållits, särskilt med avseende på kristallgitterets vibrationer som uppstår vid gränssnittet mellan intilliggande nanoöar och de därtill hörande drastiska förändringarna i värmetransporten, är universell. Efter lämplig anpassning, detta fenomen kommer att tillåta forskare att designa andra nanomaterial än europiumsilicid med skräddarsydda termiska egenskaper.