Os cientistas de Argonne revelam conexões à medida que camadas cristalinas se formam.

Compreender como os cristais crescem afeta amplas áreas da ciência dos materiais, desde o desenvolvimento de melhor microeletrônica até a descoberta de novos materiais. No nível atômico, os cristais podem crescer de várias maneiras diferentes, e os cientistas descobriram recentemente um comportamento intrigante associado a uma maneira comum como os cristais crescem.

Neste modo de crescimento de cristal, chamado "" camada por camada, "a superfície do cristal começa muito lisa no nível atômico. Novos átomos que chegam à superfície tendem a patinar até se encontrarem. Quando isso acontece, eles começam a formar uma nova camada de um átomo de espessura ao se juntar, criando uma região plana conhecida como uma ilha. À medida que mais átomos chegam, ilhas adicionais se formam em outros lugares na superfície. Eventualmente, as ilhas em crescimento cobrem toda a superfície, coalescendo para formar uma nova camada atômica.

"Se entendermos como os cristais crescem neste modo, podemos ser capazes de compreender melhor alguns dos mecanismos por trás da formação de defeitos, bem como desenvolver técnicas para sintetizar novos tipos de cristais, "disse Peter Zapol, Cientista de materiais Argonne.

Em um novo estudo do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), os cientistas descobriram que o arranjo aparentemente aleatório de ilhas que se formam para iniciar novas camadas pode, na verdade, ser muito semelhante de camada para camada.

Usando técnicas de espalhamento de raios-X coerentes para observar a superfície do cristal na escala atômica durante o crescimento do cristal, os pesquisadores foram capazes de caracterizar os arranjos exatos das ilhas à medida que se formam, ou? "nucleado, "em cada camada do cristal.

"Você pode pensar no que estamos fazendo como algo como fazer panquecas em uma frigideira, "disse Argonne Distinguished Fellow e autor do estudo Brian Stephenson.?" À medida que adicionamos aleatoriamente mais massa atômica? ' 'nossas ilhas de panqueca começam a se unir e se aglutinar. O interessante é que cada vez que criamos uma nova camada, o padrão das panquecas repete o padrão da camada original. "

Uma consideração importante que Stephenson notou é que a nucleação de novas ilhas não foi influenciada por defeitos na estrutura do cristal, ou seja, não era controlado por regiões estáticas onde a nucleação seria mais provável de ocorrer.

"Esta é uma relação dinâmica; a camada que está quase completamente crescida se comunica com a camada que está começando a crescer em cima dela, "disse o físico de Argonne Peter Zapol, outro autor do estudo.

À medida que a camada inferior continua a preencher, os orifícios restantes tendem a ocorrer em áreas distantes dos locais de nucleação originais. Como esses buracos desencorajam a nucleação da próxima camada em sua vizinhança, a nucleação da próxima camada tenderá a ocorrer longe dos orifícios e perto dos locais de nucleação originais.

"Os padrões persistentes que vemos indicam que há comunicação entre as camadas, "Stephenson disse.?" Há um vestígio da primeira camada que fornece informações para a próxima. "

A capacidade de caracterizar os padrões das ilhas é resultado do uso de raios-X coerentes fornecidos pelos pesquisadores pela Fonte Avançada de Fótons de Argonne, um DOE Office of Science User Facility. De acordo com Stephenson, raios-X incoerentes usados ​​em experimentos anteriores foram capazes de revelar apenas características médias da paisagem da ilha, enquanto os feixes coerentes são sensíveis ao arranjo exato da ilha.

"A maneira antiga apenas nos dizia o espaçamento médio e a forma das ilhas - com feixes de raios-X coerentes, somos capazes de gerar muito mais informações, "disse ele.?" A resolução ficou tão boa que agora podemos resolver correlações em toda a amostra, o que significa que podemos ver coisas como esse padrão que nos dizem como as ilhas se relacionam umas com as outras. "

A modelagem da dinâmica de crescimento em nível atômico ajudou os pesquisadores a obter uma compreensão mais profunda do crescimento do cristal, Zapol disse. ? "Se entendermos como os cristais crescem neste modo, podemos ser capazes de compreender melhor alguns dos mecanismos por trás da formação de defeitos, além de desenvolver técnicas para sintetizar novos tipos de cristais. "

Um artigo baseado no estudo, "A espectroscopia de raios-X coerente revela a persistência de arranjos de ilhas durante o crescimento camada por camada, "apareceu na edição de 4 de março da Física da Natureza . Outros autores de Argonne incluem Guangxu Ju, Dongwei Xu, Matthew Highland, Jeffrey Eastman, Paul Fuoss, e Hua Zhou. Carol Thompson da Northern Illinois University e Hyunjung Kim da Sogang University na Coreia do Sul também contribuíram.