Los científicos de Argonne revelan conexiones a medida que se forman capas cristalinas.
Comprender cómo crecen los cristales impacta en amplias áreas de la ciencia de los materiales, desde el desarrollo de una mejor microelectrónica hasta el descubrimiento de nuevos materiales. A nivel atómico, los cristales pueden crecer de diferentes maneras, y los científicos han descubierto recientemente un comportamiento intrigante asociado con una forma común en que los cristalescrecer.
En este modo de crecimiento cristalino, llamado "" capa por capa ", la superficie del cristal comienza muy suave a nivel atómico. Los átomos nuevos que llegan a la superficie tienden a patinar hasta que se encuentran entre sí.Cuando esto sucede, comienzan a formar una nueva capa de un átomo de espesor al unirse, creando una región plana conocida como una isla. A medida que llegan más átomos, se forman islas adicionales en otros lugares de la superficie. Finalmente, las islas en crecimiento cubren todosuperficie, fusionándose para formar una nueva capa atómica.
"Si entendemos cómo crecen los cristales en este modo, podríamos comprender mejor algunos de los mecanismos detrás de la formación de defectos, así como desarrollar técnicas para sintetizar nuevos tipos de cristales". - Peter Zapol, científico de materiales de Argonne
En un nuevo estudio del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. DOE, los científicos han descubierto que la disposición aparentemente aleatoria de las islas que se forman para comenzar nuevas capas puede ser muy similar de una capa a otra.
Usando técnicas coherentes de dispersión de rayos X para observar la superficie del cristal a escala atómica durante el crecimiento del cristal, los investigadores pudieron caracterizar la disposición exacta de las islas a medida que se forman, o "nuclear", en cada capa del cristal.
"Puedes pensar en lo que estamos haciendo como algo así como hacer panqueques en una sartén", dijo el becario distinguido Argonne y autor del estudio Brian Stephenson. "A medida que agregamos más masa atómica", nuestras islas de panqueques comienzan ase unen y se unen. Lo interesante es que cada vez que crecemos una nueva capa, el patrón de panqueques repite el patrón de la capa original ".
Una consideración importante que Stephenson observó es que la nucleación de nuevas islas no estaba influenciada por defectos en la estructura cristalina, es decir, no estaba controlada por regiones estáticas donde la nucleación sería más probable.
"Esta es una relación dinámica; la capa que está casi completamente desarrollada se comunica con la capa que está comenzando a crecer encima de ella", dijo el físico de Argonne Peter Zapol, otro autor del estudio.
A medida que la capa inferior continúa llenándose, los agujeros restantes tienden a ocurrir en áreas muy alejadas de los sitios de nucleación originales. Debido a que estos agujeros desalientan la nucleación de la siguiente capa en su vecindad, la nucleación de la siguiente capa tenderá a tener lugar lejoslejos de los agujeros y cerca de los sitios de nucleación originales.
"Los patrones persistentes que vemos indican que hay comunicación entre las capas", dijo Stephenson. "Hay un vestigio de la primera capa que da información a la siguiente".
La capacidad de caracterizar los patrones de la isla viene como resultado del uso de los investigadores de rayos X coherentes proporcionados por Advanced Photon Source de Argonne, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE. Según Stephenson, rayos X incoherentes utilizados en experimentos anteriorespudieron revelar solo las características promedio del paisaje de la isla, mientras que los haces coherentes son sensibles a la disposición exacta de la isla.
"La vieja forma nos acaba de decir el espaciado y la forma promedio de las islas, con rayos de rayos X coherentes, podemos generar mucha más información", dijo. "La resolución se ha vuelto tan buenaque ahora podemos resolver correlaciones en toda la muestra, lo que significa que podemos ver cosas como este patrón que nos dicen cómo se relacionan las islas entre sí "
El modelado de la dinámica de crecimiento a nivel atómico ayudó a los investigadores a lograr una comprensión más profunda del crecimiento de los cristales, dijo Zapol. "Si entendemos cómo crecen los cristales en este modo, podríamos entender mejor algunos de los mecanismos detrás de la formación de defectos,así como desarrollar técnicas para sintetizar nuevos tipos de cristales ".
Un artículo basado en el estudio, "La espectroscopía de rayos X coherente revela la persistencia de los arreglos de la isla durante el crecimiento capa por capa", apareció en la edición del 4 de marzo de Nature Physics . Otros autores de Argonne incluyeron a Guangxu Ju, Dongwei Xu, Matthew Highland, Jeffrey Eastman, Paul Fuoss y Hua Zhou. También contribuyeron Carol Thompson de la Northern Illinois University y Hyunjung Kim de la Sogang University en Corea del Sur.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Argonne . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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