Les scientifiques d'Argonne révèlent des connexions au fur et à mesure que les couches cristallines se forment.

Comprendre comment les cristaux se développent a un impact sur de vastes domaines de la science des matériaux, du développement d'une meilleure microélectronique à la découverte de nouveaux matériaux. Au niveau atomique, les cristaux peuvent croître de plusieurs manières différentes, et les scientifiques ont récemment découvert un comportement intrigant associé à une façon commune de croissance des cristaux.

Dans ce mode de croissance cristalline, appelé "" couche par couche, " la surface du cristal commence très lisse au niveau atomique. Les nouveaux atomes qui arrivent à la surface ont tendance à patiner jusqu'à ce qu'ils se trouvent. Lorsque cela se produit, ils commencent à former une nouvelle couche d'un atome d'épaisseur en se joignant, créant une région plate connue sous le nom d'île. Comme plus d'atomes arrivent, des îles supplémentaires se forment à d'autres endroits à la surface. Finalement, les îles en croissance couvrent toute la surface, fusionner pour former une nouvelle couche atomique.

"Si nous comprenons comment les cristaux se développent dans ce mode, nous pourrions peut-être mieux comprendre certains des mécanismes derrière la formation de défauts, ainsi que développer des techniques pour synthétiser de nouveaux types de cristaux, " dit Pierre Zapol, Scientifique des matériaux d'Argonne.

Dans une nouvelle étude du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), les scientifiques ont découvert que l'arrangement apparemment aléatoire des îles qui se forment pour commencer de nouvelles couches peut en fait être très similaire d'une couche à l'autre.

En utilisant des techniques de diffusion cohérente des rayons X pour observer la surface cristalline à l'échelle atomique pendant la croissance cristalline, les chercheurs ont pu caractériser les dispositions exactes des îles telles qu'elles se forment, ou "nucléé, " dans chaque couche du cristal.

"Vous pouvez penser à ce que nous faisons comme quelque chose comme faire des crêpes dans une poêle, " a déclaré Argonne Distinguished Fellow et auteur de l'étude Brian Stephenson. "Comme nous ajoutons au hasard plus de pâte atomique, ' nos îles de crêpes commencent à fonctionner ensemble et à fusionner. La chose intéressante est que chaque fois que nous cultivons une nouvelle couche, le motif des crêpes répète le motif de la couche d'origine."

Une considération importante que Stephenson a noté est que la nucléation de nouvelles îles n'a pas été influencée par des défauts dans la structure cristalline, c'est-à-dire, il n'était pas contrôlé par des régions statiques où la nucléation aurait le plus de chances de se produire.

« Il s'agit d'une relation dynamique ; la couche qui est presque complètement développée communique avec la couche qui commence à se développer au-dessus d'elle, " a déclaré le physicien d'Argonne Peter Zapol, autre auteur de l'étude.

Au fur et à mesure que la couche inférieure continue de se remplir, les trous restants ont tendance à se produire dans des zones éloignées des sites de nucléation d'origine. Parce que ces trous découragent la nucléation de la couche suivante à proximité, la nucléation de la couche suivante aura tendance à avoir lieu loin des trous et à proximité des sites de nucléation d'origine.

"Les motifs persistants que nous voyons indiquent qu'il y a une communication entre les couches, " dit Stephenson. " Il y a un vestige de la première couche qui donne des informations à la suivante. "

La capacité de caractériser les modèles d'îles résulte de l'utilisation par les chercheurs de rayons X cohérents fournis par la source de photons avancée d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science. Selon Stephenson, les rayons X incohérents utilisés dans les expériences précédentes n'ont pu révéler que des caractéristiques moyennes du paysage insulaire, tandis que les faisceaux cohérents sont sensibles à la disposition exacte de l'îlot.

"L'ancienne méthode nous disait juste l'espacement moyen et la forme des îles - avec des faisceaux de rayons X cohérents, nous pouvons générer beaucoup plus d'informations, " a-t-il dit. " La résolution est devenue si bonne que nous sommes maintenant en mesure de résoudre les corrélations sur l'ensemble de l'échantillon, ce qui signifie que nous pouvons voir des choses comme ce modèle qui nous disent comment les îles sont liées les unes aux autres. »

La modélisation de la dynamique de croissance au niveau atomique a aidé les chercheurs à mieux comprendre la croissance cristalline, dit Zapol. "Si nous comprenons comment les cristaux se développent dans ce mode, nous pourrions peut-être mieux comprendre certains des mécanismes derrière la formation de défauts, ainsi que développer des techniques pour synthétiser de nouveaux types de cristaux."

Un article basé sur l'étude, "La spectroscopie cohérente des rayons X révèle la persistance des arrangements d'îlots au cours de la croissance couche par couche, " paru dans le numéro du 4 mars de Physique de la nature . D'autres auteurs d'Argonne comprenaient Guangxu Ju, Dongwei Xu, Matthieu Highland, Jeffrey Eastman, Paul Fuoss, et Hua Zhou. Carol Thompson de la Northern Illinois University et Hyunjung Kim de la Sogang University en Corée du Sud ont également contribué.