p (Phys.org) —Leia cabeçotes em discos rígidos, lasers em leitores de DVD, transistores em chips de computador, e muitos outros componentes contêm filmes ultrafinos de metal ou materiais semicondutores. As tensões surgem em filmes finos durante sua fabricação. Estes influenciam as propriedades ópticas e magnéticas dos componentes, mas também causam defeitos nas estruturas cristalinas, e no final, levar à falha de componentes. Como pesquisadores do departamento de Eric Mittemeijer no Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes em Stuttgart já estabeleceram, enormes tensões nos filmes são criadas por um mecanismo de mecânica quântica que era desconhecido até agora, com base em um efeito com o nome de confinamento quântico. Este efeito pode causar tensões equivalentes a mil vezes a pressão atmosférica padrão, dependente da espessura. O conhecimento disso pode ser útil para controlar as propriedades ópticas e mecânicas dos sistemas de filme fino e aumentar sua estabilidade mecânica. Adicionalmente, sensores muito sensíveis também podem ser desenvolvidos com base neste conhecimento. p Filmes de metal, materiais semicondutores ou cerâmicas podem ser cultivados hoje, uma camada atômica de cada vez, em substratos cristalinos, como o silício. Apesar desta precisão atômica, defeitos surgem invariavelmente em estruturas de cristal de filmes com apenas alguns nanômetros de espessura; às vezes, apenas um átomo está faltando em uma rede onde um deveria estar. Esses tipos de defeitos de rede podem prejudicar a eficiência das células solares ou lasers semicondutores. Uma razão para isso são as tensões que surgem no filme. Até agora, a principal razão para essas tensões foi considerada o crescimento do filme em um material diferente, de modo que a estrutura cristalina do filme não coincidisse com a do substrato. As separações atômicas no filme foram correspondentemente contraídas ou expandidas, com um desenvolvimento de tensão de compressão ou tração. Cientistas de materiais trabalhando com Eric Mittemeijer, Diretor do Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes em Stuttgart, agora descobriram um mecanismo adicional que é capaz de criar enorme estresse nos filmes ultrafinos.

p David Flötotto e seus colegas descobriram esse mecanismo enquanto analisavam o estresse em filmes de alumínio ultrafinos. Eles usaram um aparelho para isso que estabelece precisamente uma camada após a outra de átomos de alumínio em um substrato de silício, apenas a maneira como uma parede de tijolos é construída. Medindo primeiro a tensão em uma única camada, em seguida, em uma camada dupla, uma camada tripla e assim por diante, os pesquisadores descobriram como a tensão no filme de alumínio mudou após a deposição de cada nova camada. Para fazer isso, eles determinaram o quanto o substrato de silício deformado devido a esse estresse. E ao fazer isso, eles estabeleceram surpreendentemente que a tensão no filme flutuava em cerca de 100 megapascais à medida que aumentava de espessura. Por comparação, a pressão padrão da atmosfera ao nível do mar atinge cerca de 0,1 megapascal.

p O filme se expande e se contrai, buscando o mínimo de energia

p A base para esse fenômeno está nos elétrons se comportando de maneira diferente em um filme fino de poucas camadas atômicas do que em um filme mais espesso. Devido à mecânica quântica, as partículas elementares são descritas não apenas como partículas, mas também como ondas. Uma vez que a espessura dos filmes com algumas camadas atômicas é apenas um pouco maior do que o comprimento de onda dos elétrons, os elétrons "percebem" os limites do filme. Este chamado confinamento quântico reduz drasticamente a flexibilidade dos elétrons na absorção e liberação de energia. Os elétrons, portanto, ocupam apenas estados de energia discretos.

p A energia do elétron flutua com o aumento contínuo da espessura do filme. Primeiro aumenta com a espessura, então diminui, aumenta novamente, e assim por diante. O princípio que se aplica aqui é que todo o possível será feito para minimizar a energia do sistema. O filme busca espessuras para as quais a energia do elétron é a menor possível, ou seja, os mínimos desta flutuação. Se o filme crescer uma nova camada de átomo mais espessa, é um pouco grosso ou fino demais para esse mínimo. No primeiro caso, contrai, no último caso, ele se expande para atingir a energia mínima.

p As propriedades dos filmes ultrafinos agora podem ser adaptadas de forma mais adequada

p A expansão ou contração da espessura do filme resulta na estrutura atômica paralela ao filme que deseja expandir ou contrair, respectivamente. Porque ele não pode fazer isso devido à sua conexão fixa ao substrato, uma tensão de tração ou compressão se desenvolve no filme que os pesquisadores mediram. Quando a espessura do filme foi aumentada para cinco camadas atômicas, contrai, e em sete camadas atômicas, ele se expande. Para explicar as tensões medidas, os pesquisadores em Stuttgart desenvolveram um modelo combinando a teoria dos elétrons livres e a Lei de Hooke, como é conhecido, que descreve o comportamento elástico de corpos sólidos.

p Os pesquisadores veem muitas aplicações potenciais para sua descoberta. "Quanto melhor se entende como as tensões se desenvolvem em um filme de espessamento, melhor se pode controlar seu crescimento e evitar defeitos de rede, "diz David Flötotto. Além disso, a deformação mecânica em uma película fina influencia sua elétrica, propriedades ópticas e magnéticas. "Propriedades como essas agora podem ser melhor adaptadas para filmes ultrafinos, "Flötotto está convencido. As medições de tensão também podem ser usadas para determinar a espessura de um filme em crescimento com muita precisão. Também se pode explorar o efeito, principalmente para sensores de gás altamente sensíveis. a superfície, o estado de energia dos elétrons e, portanto, as tensões no filme são alteradas.

p A equipe agora está trabalhando para tornar o efeito viável também para filmes espessos (na faixa de 100 nanômetros). "No momento, estamos trabalhando para congelar o estado de estresse, a fim de controlar o estresse em um filme mais espesso também, "diz Flötotto. Propriedades como a estabilidade mecânica podem ser melhoradas.