Desde pintura en una pared hasta vidrios polarizados, las películas delgadas forman una amplia variedad de materiales que se encuentran en la vida cotidiana. Pero las películas delgadas también se utilizan para construir algunas de las tecnologías más importantes de la actualidad, como chips de computadora y células solares.Para mejorar el rendimiento de estas tecnologías, los científicos están estudiando los mecanismos que impulsan a las moléculas a apilarse uniformemente en capas, un proceso llamado crecimiento de película delgada cristalina. Ahora, una nueva técnica de investigación podría ayudar a los científicos a comprender este proceso de crecimiento mejor que nunca.
Investigadores de la Universidad de Vermont, la Universidad de Boston y el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOE han demostrado una nueva capacidad experimental para observar el crecimiento de películas delgadas en tiempo real. Utilizando la Fuente de luz nacional sincrotrón II NSLS-II, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en Brookhaven, los investigadores pudieron producir una "película" de crecimiento de película delgada que representa el proceso con mayor precisión que las técnicas tradicionales. Su investigación fue publicada el 14 de junio de 2019 en Comunicaciones de la naturaleza .
Cómo crecen las películas delgadas
Al igual que construir una pared de ladrillos, las películas delgadas "crecen" al apilarse en capas superpuestas. En este estudio, los científicos se centraron en el proceso de crecimiento de un nanomaterial llamado C60, que es popular por su uso en células solares orgánicas.
"C60 es una molécula esférica que tiene la estructura de un balón de fútbol", dijo el físico de la Universidad de Vermont, Randall Headrick, autor principal de la investigación. "Hay un átomo de carbono en todas las esquinas donde el 'negro' y 'los parches blancos se encuentran, para un total de 60 átomos de carbono ".
Aunque las moléculas esféricas C60 no encajan perfectamente una al lado de la otra como los ladrillos en la pared, todavía crean un patrón uniforme.
"Imagina que tienes un recipiente grande y lo llenas con una capa de canicas", dijo Headrick. "Las canicas se juntarían en un bonito patrón hexagonal en la parte inferior del recipiente. Luego, cuando colocaste la siguiente capade canicas, encajarían en las áreas huecas entre las canicas en la capa inferior, formando otra capa perfecta. Estamos estudiando el mecanismo que hace que las canicas, o moléculas, encuentren estos sitios ordenados ".
Pero en la vida real, las películas delgadas no se apilan de manera uniforme. Al llenar un recipiente con canicas, por ejemplo, puede tener tres capas de canicas en un lado del recipiente y solo una capa en el otro lado. Tradicionalmente,Esta no uniformidad en películas delgadas ha sido difícil de medir.
"En otros experimentos, solo pudimos estudiar un solo cristal especialmente pulido para que toda la superficie se comportara de la misma manera al mismo tiempo", dijo Headrick. "Pero no es así como se comportan los materiales en la vida real".
Estudio del crecimiento de película delgada a través de rayos X coherentes
Para recopilar datos que describieran con mayor precisión el crecimiento de película delgada, Headrick fue a la línea de haz Coherente de dispersión de rayos X CHX en NSLS-II para diseñar un nuevo tipo de experimento, uno que utilizara los rayos X coherentes de la línea de hazEl equipo utilizó una técnica llamada espectroscopía de correlación de fotones de rayos X.
"Normalmente, cuando haces un experimento de rayos X, ves información promedio, como el tamaño promedio de las moléculas o la distancia promedio entre ellas. Y a medida que la superficie de un material se vuelve menos uniforme o" más áspera ", las característicasbuscar desaparecer ", dijo Andrei Fluerasu, científico principal de la línea de luz de CHX y coautor de la investigación." Lo especial de CHX es que podemos usar un haz de rayos X coherente que produce un patrón de interferencia, lo que se puede pensarcomo una huella digital. A medida que un material crece y cambia, su huella digital también lo hace "
La "huella digital" producida por CHX aparece como un patrón moteado y representa la disposición exacta de las moléculas en la capa superior del material. A medida que las capas continúan amontonándose, los científicos pueden ver el cambio de la huella digital como si fuera una película delcrecimiento de película delgada.
"Eso es imposible de medir con otras técnicas", dijo Fluerasu.
A través del procesamiento por computadora, los científicos pueden convertir los patrones de manchas en funciones de correlación que son más fáciles de interpretar.
"Hay instrumentos como los microscopios de alta resolución que realmente pueden hacer una imagen real de este tipo de materiales, pero estas imágenes generalmente solo muestran vistas estrechas del material", dijo Headrick. "Un patrón moteado que cambia con el tiempo no es tanintuitivo, pero nos proporciona datos que son mucho más relevantes para el caso de la vida real "
El coautor Lutz Wiegart, científico de la línea de luz de CHX, agregó: "Esta técnica nos permite comprender la dinámica de los procesos de crecimiento y, por lo tanto, descubrir cómo se relacionan con la calidad de las películas y cómo podemos ajustar los procesos"."
Las observaciones detalladas de C60 de este estudio podrían usarse para mejorar el rendimiento de las células solares orgánicas. En el futuro, los investigadores planean usar esta técnica para estudiar también otros tipos de películas delgadas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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