De pintura em uma parede a vidros de carro escurecidos, filmes finos constituem uma ampla variedade de materiais encontrados na vida cotidiana. Mas filmes finos também são usados ​​para construir algumas das tecnologias mais importantes da atualidade, como chips de computador e células solares. Buscando melhorar o desempenho dessas tecnologias, os cientistas estão estudando os mecanismos que levam as moléculas a se empilharem uniformemente em camadas - um processo chamado crescimento de película fina cristalina. Agora, uma nova técnica de pesquisa pode ajudar os cientistas a entender esse processo de crescimento melhor do que nunca.

Pesquisadores da Universidade de Vermont, Universidade de Boston, e o Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) demonstraram uma nova capacidade experimental para observar o crescimento de película fina em tempo real. Usando a National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - um DOE Office of Science User Facility em Brookhaven - os pesquisadores foram capazes de produzir um "filme" de crescimento de filme fino que descreve o processo com mais precisão do que as técnicas tradicionais. A pesquisa deles foi publicada em 14 de junho, 2019 em Nature Communications .

Como filmes finos crescem

Como construir uma parede de tijolos, filmes finos "crescem" pelo empilhamento em camadas sobrepostas. Neste estudo, os cientistas se concentraram no processo de crescimento de um nanomaterial chamado C60, que é popular por seu uso em células solares orgânicas.

“C60 é uma molécula esférica que tem a estrutura de uma bola de futebol, "disse o físico Randall Headrick da Universidade de Vermont, autor principal da pesquisa. "Há um átomo de carbono em todos os cantos onde as manchas 'preta' e 'branca' se encontram, para um total de 60 átomos de carbono. "

Embora as moléculas esféricas C60 não se encaixem perfeitamente lado a lado como os tijolos na parede, eles ainda criam um padrão uniforme.

"Imagine que você tem uma caixa grande e a preenche com uma camada de bolinhas de gude, "Headrick disse." As bolas de gude seriam embaladas juntas em um belo padrão hexagonal ao longo do fundo da caixa. Então, quando você colocou a próxima camada de mármores, eles caberiam nas áreas ocas entre os mármores na camada inferior, formando outra camada perfeita. Estamos estudando o mecanismo que causa as bolinhas, ou moléculas, para encontrar esses sites ordenados. "

Mas na vida real, filmes finos não se empilham uniformemente. Ao encher uma lata de bolinhas de gude, por exemplo, você pode ter três camadas de mármores de um lado da caixa e apenas uma camada do outro lado. Tradicionalmente, esta não uniformidade em filmes finos tem sido difícil de medir.

"Em outros experimentos, só podíamos estudar um único cristal que foi especialmente polido para que toda a superfície se comportasse da mesma maneira ao mesmo tempo, "Headrick disse." Mas não é assim que os materiais se comportam na vida real. "

Estudo do crescimento de filme fino por meio de raios-x coerentes

Para coletar dados que descrevem com mais precisão o crescimento de película fina, Headrick foi para a linha de luz Coherent Hard X-ray Scattering (CHX) no NSLS-II para projetar um novo tipo de experimento, um que fez uso dos raios-x coerentes da linha de luz. A equipe usou uma técnica chamada espectroscopia de correlação de fótons de raios-X.

"Tipicamente, quando você faz um experimento de raio-X, você vê informações médias, como o tamanho médio das moléculas ou a distância média entre elas. E à medida que a superfície de um material se torna menos uniforme ou 'mais áspera, 'os recursos que você procura desaparecem, "disse Andrei Fluerasu, cientista-chefe da linha de luz da CHX e co-autor da pesquisa. "O que é especial sobre o CHX é que podemos usar um feixe de raios-X coerente que produz um padrão de interferência, que pode ser considerada como uma impressão digital. Conforme um material cresce e muda, sua impressão digital também. "

A "impressão digital" produzida pela CHX aparece como um padrão pontilhado e representa o arranjo exato das moléculas na camada superior do material. Conforme as camadas continuam a se empilhar, os cientistas podem observar a mudança da impressão digital como se fosse um filme do crescimento da película fina.

"Isso é impossível de medir com outras técnicas, "Disse Fluerasu.

Por meio do processamento do computador, os cientistas são capazes de converter os padrões de manchas em funções de correlação que são mais fáceis de interpretar.

"Existem instrumentos como microscópios de alta resolução que podem realmente fazer uma imagem real desses tipos de materiais, mas essas imagens geralmente mostram apenas visões estreitas do material, "Headrick disse." Um padrão de manchas que muda com o tempo não é tão intuitivo, mas nos fornece dados que são muito mais relevantes para o caso da vida real. "

Co-autor Lutz Wiegart, um cientista de linha de luz da CHX, adicionado, “Esta técnica permite-nos compreender a dinâmica dos processos de crescimento e, Portanto, descobrir como eles se relacionam com a qualidade dos filmes e como podemos ajustar os processos. "

As observações detalhadas do C60 deste estudo podem ser usadas para melhorar o desempenho das células solares orgânicas. Seguindo em frente, os pesquisadores planejam usar essa técnica para estudar outros tipos de filmes finos também.