Från färg på en vägg till tonade bilrutor, tunna filmer utgör en mängd olika material som finns i det vanliga livet. Men tunna filmer används också för att bygga några av dagens viktigaste tekniker, som datachips och solceller. Försöker förbättra prestanda för dessa tekniker, forskare studerar mekanismerna som driver molekyler att likformigt staplas ihop i lager - en process som kallas kristallin tunnfilmstillväxt. Nu, en ny forskningsteknik kan hjälpa forskare att förstå denna tillväxtprocess bättre än någonsin tidigare.

Forskare från University of Vermont, Boston University, och US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory har visat en ny experimentell förmåga för att se tunn filmtillväxt i realtid. Med hjälp av National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - en DOE Office of Science User Facility vid Brookhaven - kunde forskarna producera en "film" av tunnfilmstillväxt som skildrar processen mer exakt än vad traditionella tekniker kan. Deras forskning publicerades den 14 juni, 2019 i Naturkommunikation .

Hur tunna filmer växer

Som att bygga en tegelvägg, tunna filmer "växer" genom att staplas i överlappande lager. I den här studien, forskarna fokuserade på tillväxtprocessen för ett nanomaterial som heter C60, som är populär för sin användning i organiska solceller.

"C60 är en sfärisk molekyl som har strukturen som en fotboll, " sa University of Vermont fysiker Randall Headrick, huvudförfattare till forskningen. "Det finns en kolatom i alla hörn där de" svarta "och" vita "fläckarna möts, för totalt 60 kolatomer. "

Även om sfäriska C60-molekyler inte passar perfekt sida vid sida som tegelstenar i väggen, de skapar fortfarande ett enhetligt mönster.

"Tänk dig att du har en stor papperskorg och du fyller den med ett lager av marmor, ", sa Headrick. "Kulorna skulle packas ihop i ett fint sexkantigt mönster längs botten av soptunnan. Sedan, när du lade ner nästa lager kulor, de skulle passa in i de ihåliga områdena mellan marmorerna i bottenlagret, bildar ytterligare ett perfekt lager. Vi studerar mekanismen som orsakar kulor, eller molekyler, för att hitta dessa beställda webbplatser."

Men i verkligheten, tunna filmer staplas inte så jämnt. När du fyller en kärl med marmor, till exempel, du kan ha tre lager av marmor på ena sidan av papperskorgen och bara ett lager på den andra sidan. Traditionellt, denna olikhet i tunna filmer har varit svår att mäta.

"I andra experiment, vi kunde bara studera en enda kristall som var speciellt polerad så att hela ytan betedde sig på samma sätt samtidigt, "Headrick sa." Men det är inte så material beter sig i verkligheten. "

Studerar tunnfilmstillväxt genom sammanhängande röntgenstrålar

För att samla in data som mer exakt beskrev tillväxt av tunn film, Headrick gick till Coherent Hard X-ray Scattering (CHX) beamline vid NSLS-II för att designa en ny typ av experiment, en som använde strållinjens sammanhängande röntgenstrålar. Teamet använde en teknik som kallas röntgenfotonkorrelationsspektroskopi.

"Vanligtvis, när du gör ett röntgenexperiment, du ser genomsnittlig information, som medelstorleken på molekyler eller medelavståndet mellan dem. Och när ytan på ett material blir mindre enhetlig eller "strävare", ' funktionerna du letar efter försvinner, " sa Andrei Fluerasu, ledande beamline-forskare vid CHX och medförfattare till forskningen. "Det speciella med CHX är att vi kan använda en sammanhängande röntgenstråle som producerar ett interferensmönster, som kan ses som ett fingeravtryck. När ett material växer och förändras, dess fingeravtryck gör det också. "

"Fingeravtrycket" som produceras av CHX visas som ett fläckmönster och det representerar det exakta arrangemanget av molekyler i det översta lagret av materialet. När lager fortsätter att staplas, forskare kan se fingeravtrycket förändras som om det vore en film om tunnfilmstillväxten.

"Det är omöjligt att mäta med andra tekniker, " sa Fluerasu.

Genom datorbearbetning, forskarna kan omvandla fläckmönstren till korrelationsfunktioner som är lättare att tolka.

"Det finns instrument som högupplösta mikroskop som faktiskt kan göra en verklig bild av den här typen av material, men dessa bilder visar vanligtvis bara snäva vyer av materialet, "Sa Headrick." Ett fläckmönster som förändras med tiden är inte lika intuitivt, men det ger oss data som är mycket mer relevanta för det verkliga fallet."

Medförfattare Lutz Wiegart, en strållinjeforskare vid CHX, Lagt till, "Denna teknik låter oss förstå dynamiken i tillväxtprocesser och, därför, ta reda på hur de förhåller sig till filmens kvalitet och hur vi kan finjustera processerna."

De detaljerade observationerna av C60 från denna studie kan användas för att förbättra prestanda för organiska solceller. Går vidare, forskarna planerar att använda denna teknik för att studera andra typer av tunna filmer också.