В некоторых случаях чрезвычайно важно поддерживать границы. Одним из примеров является технология тонких пленок, в которой используются чрезвычайно тонкие пленки из различных материалов, уложенных друг на друга. Хорошо известно термически индуцированное движение атомов в материале — диффузия. Определенный вид диффузии по линейным дефектам в материале был предложен еще в 1950-х годах, но с тех пор остается теоретической концепцией, и исследователи никогда не могли наблюдать ее напрямую.
Вместо этого для измерения этого явления, известного как диффузия по дислокационной трубе, обычно применяются теоретические модели и косвенные методы.Исследователи из Университета Линчепинга и Калифорнийского университета в Беркли наконец-то смогли наблюдать миграцию атомов между слоями тонкой пленки.
Они использовали сканирующую просвечивающую электронную микроскопию (STEM) с таким высоким разрешением, что можно было отображать положения отдельных атомов в материале. Изучаемый ими образец представлял собой тонкую пленку, в которой слои металла, нитрида гафния (HfN), толщиной около 5 миллиардных долей метра, чередуются со слоями полупроводника, нитрида скандия (ScN).Свойства слоев HfN / ScN делают этот материал подходящим кандидатом для использования, например, в технологии нанесения покрытий и в микроэлектронике.
По соображениям стабильности очень важно, чтобы слои металла и полупроводника не смешивались. Проблемы возникают, если атомы диффундируют через промежуточный слой, образуя замкнутый мост между слоями в пленке, аналогично электрическому короткому замыканию.
«Изученный нами материал действует как идеальная модельная система, но этот тип диффузии происходит почти во всех материалах. Металлы и полупроводники присутствуют во всех электронных компонентах, используемых в мобильных телефонах, компьютерах и т. Д. Вот почему это важно. «Материаловеды понимают этот тип диффузии», — говорит Магнус Гарбрехт, младший преподаватель кафедры физики, химии и биологии Университета Линчёпинга.Открытие, описанное в статье, произошло, когда Магнус Гарбрехт нагрел HfN / ScN до 950 ° C. Он заметил, что гафний проникает в нижележащие слои. Оказалось, что в материале, где возникло это явление, был дефект.
Исследователи нагревали материал несколько раз, а затем исследовали его с помощью STEM и измерили, как далеко перемещаются отдельные атомы.«Измеренные нами значения хорошо согласуются со значениями из предыдущих экспериментов с использованием косвенных методов и с теоретическими моделями, и это дает нам уверенность в том, что то, что мы наблюдаем, на самом деле является диффузией по дислокационной трубе», — говорит Магнус Гарбрехт.Исследователи объясняют, почему атомы диффундируют при нагревании материала. Отдельные атомы немного смещены друг относительно друга в областях вокруг линейных дефектов.
Атомы имеют тенденцию располагаться в идеальной кубической симметрии, и при нарушении этого расположения внутри решетки возникает деформация. Исследователи показывают в исследовании, что это напряжение ослабляется по мере диффузии атомов.
«Диффузия снижает напряжение в материале, поэтому оно происходит только вдоль линейных дефектов, пронизывающих материал», — говорит Магнус Гарбрехт.