(Phys.org)—Läs huvuden på hårddiskar, laser i DVD-spelare, transistorer på datorchips, och många andra komponenter innehåller alla ultratunna filmer av metall eller halvledarmaterial. Påfrestningar uppstår i tunna filmer under tillverkningen. Dessa påverkar komponenternas optiska och magnetiska egenskaper, men också orsaka defekter i kristallgitter, och på slutet, leda till komponentfel. Som forskare vid avdelningen för Eric Mittemeijer vid Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart nu har etablerat, enorma spänningar i filmerna skapas av en kvantmekanisk mekanism som har varit okänd fram till nu, baserat på en effekt vid namnet kvantinneslutning. Denna effekt kan orsaka spänningar motsvarande tusen gånger standardatmosfäriskt tryck, beroende av tjocklek. Kunskap om detta kan vara till hjälp för att kontrollera de optiska och mekaniska egenskaperna hos tunnfilmssystem och öka deras mekaniska stabilitet. Dessutom, mycket känsliga sensorer kan också utvecklas utifrån denna kunskap.

Filmer av metall, Halvledarmaterial eller keramer kan idag odlas ett atomlager i taget på kristallina substrat som kisel. Trots denna atomära precision, defekter uppstår alltid i kristallgitter av filmer som bara är några få nanometer tjocka; ibland saknas bara en atom i ett galler där man egentligen borde vara. Dessa typer av gallerdefekter kan försämra effektiviteten hos solceller eller halvledarlasrar. En anledning till detta är påfrestningar som uppstår i filmen. Tills nu, huvudorsaken till dessa påfrestningar ansågs vara filmens tillväxt på ett annat material, så att filmens kristallgitter inte sammanföll med substratets. Atomseparationerna i filmen var på motsvarande sätt sammandragna eller expanderade, med en tryck- eller dragspänning utvecklas. Materialvetare som arbetar med Eric Mittemeijer, Direktör vid Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart, har nu upptäckt en ytterligare mekanism som kan skapa enorm stress i de ultratunna filmerna.

David Flötotto och hans kollegor upptäckte denna mekanism när de analyserade spänningen i ultratunna aluminiumfilmer. De använde en apparat för detta som exakt lägger ner det ena lagret efter det andra av aluminiumatomer på ett kiselsubstrat, precis som en tegelvägg är byggd. Genom att först mäta spänningen i ett enda lager, sedan i ett dubbelt lager, ett trippellager och så vidare, forskarna fick reda på hur spänningen i aluminiumfilmen förändrades efter avsättning av varje nytt lager. Att göra detta, de bestämde hur mycket kiselsubstratet deformerades på grund av denna spänning. Och genom att göra det, de konstaterade överraskande att spänningen i filmen fluktuerade med cirka 100 megapascal när den tjocknade. Som jämförelse, standardtrycket i atmosfären vid havsnivån uppgår till cirka 0,1 megapascal.

Filmen expanderar och drar ihop sig, söker energiminimum

Grunden till detta fenomen ligger i att elektronerna beter sig annorlunda i en tunn film av några atomlager än i en tjockare film. På grund av kvantmekaniken, elementarpartiklarna beskrivs inte bara som partiklar, men som vågor också. Eftersom tjockleken på filmer som är några få atomlager tjocka bara är något större än våglängden för elektroner, elektronerna "känner" filmens gränser. Denna så kallade kvantinneslutning minskar kraftigt elektronernas flexibilitet när det gäller att absorbera och frigöra energi. Elektronerna upptar därför endast diskreta energitillstånd.

Elektronenergin fluktuerar med den kontinuerligt ökande filmtjockleken. Det ökar först med tjockleken, minskar sedan, ökar igen, och så vidare. Principen som gäller här är att allt möjligt kommer att göras för att minimera energin i systemet. Filmen söker tjocklekar för vilka elektronenergin är så liten som möjligt, dvs minima för denna fluktuation. Om filmen blir ett nytt atomlager tjockare, den är antingen lite för tjock eller för tunn för detta minimum. I det första fallet, det drar ihop sig, i det senare fallet expanderar den för att uppnå minimal energi.

Egenskaperna hos ultratunna filmer kan nu skräddarsys mer lämpligt

Expansion eller sammandragning av filmtjockleken resulterar i att atomgittret parallellt med filmen vill expandera eller dra ihop sig, respektive. Eftersom den inte kan göra det på grund av sin fasta anslutning till substratet, en drag- eller tryckspänning utvecklas i filmen som forskarna har mätt. När filmtjockleken har utökats till fem atomlager, det drar ihop sig, och vid sju atomlager, den expanderar. För att förklara de uppmätta spänningarna, forskarna i Stuttgart utvecklade en modell som kombinerar teorin om fria elektroner och Hookes lag, som det är känt, som beskriver det elastiska beteendet hos fasta kroppar.

Forskarna ser många potentiella tillämpningar för deras upptäckt. "Ju bättre man förstår hur spänningar utvecklas i en förtjockningsfilm, desto bättre kan man kontrollera dess tillväxt och undvika gallerdefekter, " säger David Flötotto. Dessutom, den mekaniska belastningen i en tunn film påverkar dess elektriska, optiska och magnetiska egenskaper. "Egenskaper som dessa kan nu skräddarsys bättre för ultratunna filmer, " Flötotto är övertygad. Mätningarna av spänningen kan också användas för att bestämma tjockleken på en växande film mycket exakt. Man skulle också kunna utnyttja effekten inte minst för högkänsliga gassensorer. Eftersom vid avsättning av även de minsta mängder gas på ytan, elektronernas energitillstånd och därmed spänningarna i filmen förändras.

Teamet arbetar nu med att göra effekten genomförbar även för tjocka filmer (i intervallet 100 nanometer). "Vi arbetar för tillfället med att frysa tillståndet av stressen för att kontrollera stressen i en tjockare film också, " säger Flötotto. Egenskaper som dess mekaniska stabilitet kan därmed förbättras.