Atoms rörelse genom ett material kan orsaka problem under vissa omständigheter. Elektronmikroskopi med atomupplösning har gjort det möjligt för forskare vid Linköpings universitet i Sverige för första gången att observera ett fenomen som har undvikit materialforskare i många decennier. Studien publiceras i Vetenskapliga rapporter .

I vissa sammanhang, det är oerhört viktigt att gränserna upprätthålls. Ett exempel är inom tunnfilmsteknik, som använder extremt tunna filmer av olika material staplade ovanpå varandra. Den termiskt inducerade rörelsen av atomer genom ett material, diffusion, är välkänd. En specifik sorts diffusion längs linjära defekter i ett material föreslogs redan på 1950 -talet, men har förblivit ett teoretiskt koncept sedan dess och forskare har aldrig kunnat observera det direkt. Istället, teoretiska modeller och indirekta metoder används vanligtvis för att mäta detta fenomen, känd som dislokationsrördiffusion.

Forskare vid Linköpings universitet och University of California i Berkeley har nu äntligen kunnat observera migrationen av atomer mellan lagren av en tunn film. De använde scanning transmissionselektronmikroskopi (STEM) med så hög upplösning att det var möjligt att avbilda positionerna för enskilda atomer i materialet. Provet de studerade var en tunn film där lager av metall, hafniumnitrid (HfN), cirka 5 miljardelar av en meter tjock, varva med lager av en halvledare, scandiumnitrid (ScN).

Egenskaperna hos HfN/ScN -lagren gör detta material till en lämplig kandidat för användning i, till exempel, beläggningsteknik och mikroelektronik. Det är av stabilitetsskäl mycket viktigt att metallskikten och halvledaren inte blandas. Problem uppstår om atomerna diffunderar över ett mellanskikt och bildar en sluten bro mellan lagren i filmen, liknar en elektrisk kortslutning.

"Materialet vi har studerat fungerar som ett perfekt modellsystem, men denna typ av diffusion förekommer i nästan alla material. Metaller och halvledare finns i alla elektroniska komponenter som används i mobiltelefoner, datorer, etc. Det är därför det är viktigt att materialforskare förstår denna typ av diffusion, "säger Magnus Garbrecht, docent vid Institutionen för fysik, Kemi och biologi vid Linköpings universitet.

Upptäckten som beskrivs i artikeln kom till när Magnus Garbrecht värmde HfN/ScN till 950 ° C. Han märkte att hafnium diffunderade ner i de underliggande skikten. Det visade sig att det fanns en defekt i materialet där detta fenomen uppstod. Forskarna värmde materialet flera gånger och undersökte det därefter med hjälp av STEM och mätte hur långt enskilda atomer rörde sig.

"De värden vi mätte överensstämmer väl med de från tidigare experiment med indirekta metoder och med de teoretiska modellerna, och detta gör oss säkra på att det vi ser verkligen är dislokationsrördiffusion, säger Magnus Garbrecht.

Forskarna ger en förklaring till varför atomerna diffunderar när materialet värms upp. De enskilda atomerna är något förskjutna relativt varandra i regionerna runt de linjära defekterna. Atomer tenderar att ordna sig i en perfekt kubisk symmetri, och spänningar byggs upp i gallret när detta arrangemang störs. Forskarna visar i studien att denna stam slappnar av när atomerna diffunderar.

"Diffusionen minskar belastningen i materialet och det är därför det bara sker längs de linjära defekterna som tränger genom materialet, säger Magnus Garbrecht.