(PhysOrg.com) - Quase três anos atrás, uma equipe de cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) estava realizando um experimento no qual camadas de ouro de meros nanômetros (bilionésimos de metro) de espessura estavam sendo aquecidas em uma superfície plana de silicone e, em seguida, deixe esfriar. Eles assistiram com surpresa quando características peculiares se expandiram e mudaram na tela de seu microscópio eletrônico, finalmente estabelecendo-se em círculos cercados por bolhas irregulares.

Os círculos variavam em diâmetro até alguns milionésimos de metro, e no centro de cada um havia um quadrado perfeito. Os padrões misteriosos não faziam lembrar nada, tanto quanto os chamados círculos "alienígenas" nas plantações.

Até recentemente, a causa dessas estranhas formações permanecia um mistério. Agora, os insights teóricos explicaram o que está acontecendo, e os resultados foram publicados online por Cartas de revisão física .

Ligas derretendo avidamente

Quando dois sólidos são combinados nas proporções certas, mudanças na ligação química podem produzir uma liga que derrete a uma temperatura muito mais baixa do que qualquer uma delas pode derreter sozinha. Essa liga é chamada eutética, Grego para "boa fusão". A liga eutética de ouro e silício - 81 por cento de ouro e 19 por cento de silício - é especialmente útil no processamento de semicondutores em nanoescala, como nanofios, bem como interconexões de dispositivos em circuitos integrados; ele se liquefaz a modestos 363º Celsius, muito mais baixo do que o ponto de fusão de ouro puro, 1064 ° C, ou silício puro, 1414 ° C.

"O líquido eutético de ouro-silício pode soldar camadas de chips com segurança ou formar fios condutores microscópicos, fluindo em canais no substrato sem queimar os arredores, ", diz Junqiao Wu do Berkeley Lab." É particularmente interessante para o processamento de materiais e dispositivos em nanoescala. "Wu cita o exemplo dos nanofios de silício, que pode ser cultivada a partir de gotas de líquido eutético que se formam a partir de gotículas de ouro. As contas catalisam a deposição de silício a partir de um vapor químico e se movem sobre bigodes de nanofios continuamente alongados.

Compreender como e por que isso acontece tem sido um desafio. Embora ligas eutéticas sejam bem estudadas como sólidos, o estado líquido apresenta mais obstáculos, que são particularmente formidáveis ​​em nanoescala por causa do grande aumento da tensão superficial - as mesmas forças superficiais que dificultam a formação de filmes ultrafinos de água, por exemplo, porque eles puxam a água em gotas. Em escalas menores, a proporção da área de superfície para o volume aumenta acentuadamente, e as estruturas em nanoescala foram descritas como virtualmente "toda superfície".

Estas são as condições que a equipe liderada por Wu, que é cientista docente da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e professor do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade da Califórnia em Berkeley, partiu para examinar, criando os filmes mais finos possíveis de ligas eutéticas de ouro-silício. Os pesquisadores fizeram isso começando com um substrato de silício puro, em cuja superfície plana se formou uma camada de barreira extremamente fina (dois nanômetros de espessura) de dióxido de silício. Nesta superfície eles colocaram camadas de ouro puro, variando a espessura de um ensaio para o outro, entre apenas alguns nanômetros e robustos 300 nanômetros. A barreira de dióxido de silício evitou que o silício puro se misturasse com o ouro.

A próxima etapa foi aquecer a amostra em camadas a 600˚C por vários minutos - não quente o suficiente para derreter o ouro ou o silício, mas quente o suficiente para fazer com que os furos naturais existentes na fina camada de dióxido de silício se expandissem em pequenos pontos fracos, através do qual o silício puro poderia entrar em contato com o ouro sobrejacente. Na alta temperatura, átomos de silício se difundiram rapidamente para fora do substrato e para o ouro, formando uma camada de liga eutética de ouro-silício quase da mesma espessura do ouro original e espalhando-se em um círculo virtualmente perfeito a partir do orifício central.

Quando o disco circular de liga eutética ficou grande o suficiente, de repente se quebrou, interrompido pela alta energia de superfície do líquido eutético ouro-silício. Os detritos foram literalmente puxados para as bordas do disco, acumulando-se em torno dele para deixar uma zona central desnudada de dióxido de silício puro.

No centro da zona desnuda, um quadrado perfeito de ouro e silício permaneceu.

Química e cristalografia, não alienígenas

A descoberta mais surpreendente dos pesquisadores foi que quanto mais fina a camada de ouro original, quanto mais rápido os círculos eutéticos se expandiram. A taxa de reação quando as camadas de ouro tinham apenas 20 nanômetros de espessura era mais de 20 vezes mais rápida do que quando as camadas tinham 300 nanômetros de espessura. E embora, à primeira vista, as dimensões dos quadrados de ouro e silício dentro das zonas circulares desnudadas parecessem variáveis, havia de fato uma relação estrita entre o tamanho do quadrado e o tamanho do círculo:o raio do círculo era sempre o comprimento do quadrado elevado à potência de 3/2.

Como os quadrados chegaram lá em primeiro lugar? Eles se originaram como pontos fracos que eram as fontes dos círculos eutéticos de ouro-silício que se espalhavam; quando a eutética circular foi rompida, os quadrados preenchidos com a mesma eutética, que permaneceram nos centros das zonas desnudas. Enquanto eles esfriavam, o ouro e o silício dentro dos quadrados separados, deixando bordas bem definidas que eram silício puro; os centros eram quadrados de ouro puro de contorno mais grosseiro.

Cortando a camada de silício / dióxido de silício / ouro e olhando de lado para as estruturas com um microscópio eletrônico, os pesquisadores descobriram que os quadrados da superfície eram as bases das pirâmides invertidas, assemelhando-se a dentes penetrando na fina camada de dióxido de silício e embutidos na pastilha de silício. Os quadrados eram quadrados, na verdade, por causa da orientação do silício:o substrato havia sido cortado ao longo do plano do cristal que definia a base. Os quatro lados triangulares das pirâmides situam-se ao longo dos planos de baixa energia da rede cristalina e são definidos por suas interseções.

O que começou como um fenômeno intrigante reminiscente de "The X Files, "se em uma escala consideravelmente menor do que a cósmica, o mistério dos "círculos nas plantações em nanoescala" acabou rendendo à observação cuidadosa e análise teórica - apesar dos obstáculos impostos pelas altas temperaturas, tamanhos em nanoescala, instabilidades do estado líquido, e escalas de tempo extremamente rápidas.

"Descobrimos que a taxa de reação na formação de líquidos eutéticos de ouro-silício de pequeno porte - e talvez em muitos outros eutéticos também - é dominada pela espessura das camadas reagentes, "disse Wu." Esta descoberta pode fornecer novas rotas para a engenharia e processamento de materiais em nanoescala. "