"Imaginez que vous ayez un grand bac et que vous le remplissiez d'une couche de billes, " a déclaré Headrick. " Les billes s'entasseraient dans un joli motif hexagonal le long du fond de la poubelle. Puis, quand tu as posé la prochaine couche de billes, ils s'inséreraient dans les zones creuses entre les billes de la couche inférieure, formant une autre couche parfaite. Nous étudions le mécanisme qui cause les billes, ou des molécules, pour trouver ces sites commandés."

Mais dans la vraie vie, les films minces ne s'empilent pas uniformément. Lorsque vous remplissez un bac de billes, par exemple, vous pouvez avoir trois couches de billes d'un côté du bac et une seule couche de l'autre côté. Traditionnellement, cette non-uniformité dans les films minces a été difficile à mesurer.

« Dans d'autres expériences, nous n'avons pu étudier qu'un seul cristal spécialement poli pour que toute la surface se comporte de la même manière en même temps, " a déclaré Headrick. "Mais ce n'est pas ainsi que les matériaux se comportent dans la vraie vie."

Étudier la croissance de couches minces à l'aide de rayons X cohérents

Pour collecter des données décrivant plus précisément la croissance des couches minces, Headrick s'est rendu sur la ligne de faisceaux Coherent Hard X-ray Scattering (CHX) du NSLS-II pour concevoir un nouveau type d'expérience, celui qui utilisait les rayons X cohérents de la ligne de lumière. L'équipe a utilisé une technique appelée spectroscopie de corrélation de photons aux rayons X.

"Typiquement, lorsque vous faites une expérience aux rayons X, vous voyez des informations moyennes, comme la taille moyenne des molécules ou la distance moyenne entre elles. Et à mesure que la surface d'un matériau devient moins uniforme ou plus rugueuse, ' les fonctionnalités que vous recherchez disparaissent, " a déclaré Andrei Fluerasu, scientifique en chef des lignes de lumière au CHX et co-auteur de la recherche. "Ce qui est spécial avec CHX, c'est que nous pouvons utiliser un faisceau de rayons X cohérent qui produit un motif d'interférence, qui peut être considéré comme une empreinte digitale. Au fur et à mesure qu'un matériau grandit et change, son empreinte digitale aussi."

L'« empreinte digitale » produite par CHX apparaît sous la forme d'un motif moucheté et représente l'arrangement exact des molécules dans la couche supérieure du matériau. Alors que les couches continuent de s'empiler, les scientifiques peuvent observer le changement d'empreinte digitale comme s'il s'agissait d'un film de la croissance d'une couche mince.

"C'est impossible à mesurer avec d'autres techniques, " dit Fluerasu.

Grâce au traitement informatique, les scientifiques sont capables de convertir les motifs de speckle en fonctions de corrélation plus faciles à interpréter.

"Il existe des instruments comme des microscopes à haute résolution qui peuvent réellement faire une image réelle de ce genre de matériaux, mais ces images ne montrent généralement que des vues étroites du matériau, " a déclaré Headrick. " Un motif de mouchetures qui change avec le temps n'est pas aussi intuitif, mais cela nous fournit des données beaucoup plus pertinentes pour le cas réel."

Co-auteur Lutz Wiegart, un scientifique des lignes de lumière au CHX, ajoutée, « Cette technique nous permet de comprendre la dynamique des processus de croissance et, donc, comprendre comment ils se rapportent à la qualité des films et comment nous pouvons ajuster les processus. "

Les observations détaillées de C60 de cette étude pourraient être utilisées pour améliorer les performances des cellules solaires organiques. Avancer, les chercheurs prévoient d'utiliser cette technique pour étudier également d'autres types de films minces.