Argonne-forskare avslöjar samband när kristallina lager bildas.

Att förstå hur kristaller växer påverkar breda områden inom materialvetenskap, från att utveckla bättre mikroelektronik till att upptäcka nya material. På atomnivå, kristaller kan växa på flera olika sätt, och forskare har nyligen upptäckt ett spännande beteende som är förknippat med ett vanligt sätt som kristaller växer på.

I detta läge av kristalltillväxt, kallas ""lager-för-lager, " kristallens yta börjar mycket slät på atomnivå. Nya atomer som kommer till ytan tenderar att åka runt tills de hittar varandra. När detta händer, de börjar bilda ett nytt enatomtjockt lager genom att förenas, skapa en platt region som kallas en ö. När fler atomer kommer, ytterligare öar bildas på andra ställen på ytan. Så småningom täcker de växande öarna hela ytan, koalescerar för att bilda ett nytt atomlager.

"Om vi ​​förstår hur kristaller växer i det här läget, vi kanske bättre kan förstå några av mekanismerna bakom defektbildning, samt utveckla tekniker för att syntetisera nya typer av kristaller, sade Peter Zapol, Argonne materialforskare.

I en ny studie från U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, forskare har funnit att det till synes slumpmässiga arrangemanget av öar som bildas för att börja nya lager faktiskt kan vara väldigt lika från lager till lager.

Genom att använda koherenta röntgenspridningstekniker för att observera kristallytan på atomär skala under kristalltillväxt, forskarna kunde karakterisera de exakta arrangemangen av öarna när de bildas, eller "kärna, " i varje lager av kristallen.

"Du kan tänka på vad vi gör som att göra pannkakor i en panna, " sade Argonne Distinguished Fellow och studieförfattaren Brian Stephenson. "När vi slumpmässigt lägger till mer atomär ?'smet, ' våra pannkaksöar börjar flyta ihop och smälter samman. Det intressanta är att varje gång vi växer ett nytt lager, mönstret av pannkakor upprepar det ursprungliga lagrets mönster."

En viktig faktor som Stephenson noterade är att kärnbildningen av nya öar inte påverkades av defekter i kristallstrukturen - det vill säga, det kontrollerades inte av statiska regioner där kärnbildning är mest sannolikt att inträffa.

"Detta är ett dynamiskt förhållande; lagret som nästan är färdigvuxet kommunicerar med lagret som börjar växa ovanpå det, " sa Argonne-fysikern Peter Zapol, en annan författare till studien.

När det nedre lagret fortsätter att fyllas i, de återstående hålen tenderar att uppstå i områden långt borta från de ursprungliga kärnbildningsställena. Eftersom dessa hål motverkar kärnbildning i nästa lager i deras närhet, kärnbildning av nästa lager tenderar att ske långt bort från hålen och nära de ursprungliga kärnbildningsställena.

"De ihållande mönstren som vi ser indikerar att det finns kommunikation mellan lagren, "Sade Stephenson. "Det finns en rest av det första lagret som ger information till nästa."

Förmågan att karakterisera öarnas mönster kommer som ett resultat av forskarnas användning av koherenta röntgenstrålar från Argonnes Advanced Photon Source, en DOE Office of Science User Facility. Enligt Stephenson, osammanhängande röntgenstrålar som användes i tidigare experiment kunde endast avslöja genomsnittliga särdrag av ölandskapet, medan koherenta strålar är känsliga för det exakta öarrangemanget.

"Det gamla sättet berättade just för oss det genomsnittliga avståndet och formen på öarna - med koherenta röntgenstrålar, vi kan generera mycket mer information, " sa han. "Upplösningen har blivit så bra att vi nu kan lösa sambanden över hela urvalet, vilket betyder att vi kan se saker som det här mönstret som berättar hur öarna förhåller sig till varandra."

Modellering av tillväxtdynamik på atomnivå hjälpte forskarna att uppnå en djupare förståelse av kristalltillväxt, sa Zapol. "Om vi ​​förstår hur kristaller växer i detta läge, vi kanske bättre kan förstå några av mekanismerna bakom defektbildning, samt utveckla tekniker för att syntetisera nya typer av kristaller."

Ett papper baserat på studien, "Koherent röntgenspektroskopi avslöjar uthålligheten hos öarrangemang under lager-för-lager-tillväxt, " dök upp i numret 4 mars av Naturfysik . Andra Argonne-författare inkluderade Guangxu Ju, Dongwei Xu, Matthew Highland, Jeffrey Eastman, Paul Fuoss, och Hua Zhou. Carol Thompson från Northern Illinois University och Hyunjung Kim från Sogang University i Sydkorea bidrog också.