Понимание того, как растут кристаллы, влияет на широкие области материаловедения, от разработки более совершенной микроэлектроники до открытия новых материалов. На атомном уровне кристаллы могут расти несколькими способами, и недавно ученые обнаружили интригующее поведение, связанное с обычным способом роста кристаллов.
В этом режиме роста кристалла, называемом «послойным», поверхность кристалла начинается очень гладкой на атомном уровне.
Новые атомы, попадающие на поверхность, стремятся скатиться, пока не найдут друг друга. Когда это происходит, они начинают образовывать новый слой толщиной в один атом, соединяясь, создавая плоскую область, известную как остров.
По мере поступления большего количества атомов в других местах на поверхности образуются дополнительные островки. В конце концов, растущие островки покрывают всю поверхность, сливаясь, образуя новый атомный слой.
«Если мы поймем, как кристаллы растут в этом режиме, мы сможем лучше понять некоторые механизмы, лежащие в основе образования дефектов, а также разработать методы для синтеза новых типов кристаллов."- Питер Запол, аргоннский материаловед
В новом исследовании U.S.
Аргоннская национальная лаборатория Министерства энергетики США (DOE) обнаружила, что кажущееся случайным расположение островов, которые формируются, чтобы начать новые слои, на самом деле может быть очень похожим от слоя к слою.
Используя методы когерентного рассеяния рентгеновских лучей для наблюдения поверхности кристалла на атомном уровне во время роста кристалла, исследователи смогли определить точное расположение островков по мере их образования или ?"зародыш" в каждом слое кристалла.
«Вы можете думать о том, что мы делаем, как о приготовлении блинов на сковороде», – сказал заслуженный научный сотрудник Аргонны и автор исследования Брайан Стивенсон. ?"Поскольку мы случайным образом добавляем новые атомные ?“ тесто ”, наши блины начинают сливаться и сливаться. Интересно то, что каждый раз, когда мы выращиваем новый слой, узор блинов повторяет узор исходного слоя."
Одно важное соображение, которое отметил Стивенсон, заключается в том, что зарождение новых островков не зависело от дефектов кристаллической структуры, то есть оно не контролировалось статическими областями, где зарождение наиболее вероятно.
«Это динамические отношения; слой, который почти полностью вырос, взаимодействует со слоем, который начинает расти поверх него», – сказал аргоннский физик Питер Запол, другой автор исследования.
По мере того, как нижний слой продолжает заполняться, оставшиеся дыры, как правило, возникают в областях, удаленных от исходных центров зародышеобразования. Поскольку эти дырки препятствуют зарождению следующего слоя в непосредственной близости от них, зарождение следующего слоя будет иметь тенденцию происходить далеко от дырок и близко к исходным местам зарождения.
«Постоянные шаблоны, которые мы видим, указывают на то, что существует связь между слоями», – сказал Стивенсон. ?"Остатки первого слоя дают информацию следующему."
Способность характеризовать островные узоры появилась в результате использования исследователями когерентных рентгеновских лучей, предоставленных аргоннским Advanced Photon Source, пользовательским центром Управления науки Министерства энергетики США. По словам Стефенсона, некогерентные рентгеновские лучи, использованные в предыдущих экспериментах, могли выявить только средние особенности ландшафта острова, в то время как когерентные лучи чувствительны к точному расположению острова.
«Старый способ просто сообщил нам среднее расстояние и форму островов – с помощью когерентных рентгеновских лучей мы можем получить гораздо больше информации», – сказал он. ?"Разрешение стало настолько хорошим, что теперь мы можем определять корреляции по всей выборке, а это значит, что мы можем видеть такие вещи, как этот шаблон, который говорит нам, как острова связаны друг с другом."
По словам Запола, моделирование динамики роста на атомном уровне помогло исследователям глубже понять процесс роста кристаллов. ?«Если мы поймем, как кристаллы растут в этом режиме, мы сможем лучше понять некоторые механизмы, лежащие в основе образования дефектов, а также разработать методы для синтеза новых типов кристаллов."
Статья, основанная на исследовании, «Когерентная рентгеновская спектроскопия выявляет устойчивость островков во время послойного роста», появилась в выпуске журнала Nature Physics от 4 марта. Среди других аргоннских авторов были Гуансю Цзюй, Дунвэй Сюй, Мэтью Хайленд, Джеффри Истман, Пол Фуосс и Хуа Чжоу.
Кэрол Томпсон из Университета Северного Иллинойса и Хёнджунг Ким из Университета Соганг в Южной Корее также внесли свой вклад.