Los científicos de Argonne revelan conexiones a medida que se forman capas cristalinas.

Comprender cómo crecen los cristales impacta en amplias áreas de la ciencia de los materiales, desde el desarrollo de una mejor microelectrónica hasta el descubrimiento de nuevos materiales. A nivel atómico, los cristales pueden crecer de varias formas diferentes, y los científicos han descubierto recientemente un comportamiento intrigante asociado con una forma común en que crecen los cristales.

En este modo de crecimiento de cristales, llamado "" capa por capa, "la superficie del cristal comienza muy suave a nivel atómico. Los átomos nuevos que llegan a la superficie tienden a patinar hasta que se encuentran. Cuando esto sucede, comienzan a formar una nueva capa de un átomo de espesor al unirse, creando una región plana conocida como isla. A medida que llegan más átomos, se forman islas adicionales en otros lugares de la superficie. Finalmente, las islas en crecimiento cubren toda la superficie, fusionándose para formar una nueva capa atómica.

"Si entendemos cómo crecen los cristales en este modo, podríamos comprender mejor algunos de los mecanismos detrás de la formación de defectos, así como desarrollar técnicas para sintetizar nuevos tipos de cristales, "dijo Peter Zapol, Científico de materiales de Argonne.

En un nuevo estudio del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), Los científicos han descubierto que la disposición aparentemente aleatoria de las islas que se forman para comenzar nuevas capas en realidad puede ser muy similar de una capa a otra.

Usando técnicas coherentes de dispersión de rayos X para observar la superficie del cristal a escala atómica durante el crecimiento del cristal, los investigadores pudieron caracterizar la disposición exacta de las islas a medida que se forman, o? "nucleado, "en cada capa del cristal.

"Puedes pensar en lo que estamos haciendo como algo así como hacer panqueques en una sartén, ", dijo el miembro distinguido de Argonne y autor del estudio, Brian Stephenson.?" A medida que agregamos aleatoriamente más masa atómica, 'Nuestras islas de panqueques comienzan a juntarse y fusionarse. Lo interesante es que cada vez que crecemos una nueva capa, el patrón de panqueques repite el patrón de la capa original ".

Una consideración importante que señaló Stephenson es que la nucleación de nuevas islas no fue influenciada por defectos en la estructura cristalina, es decir, no estaba controlado por regiones estáticas donde sería más probable que ocurriera la nucleación.

"Esta es una relación dinámica; la capa que ha crecido casi por completo se comunica con la capa que comienza a crecer encima de ella, "dijo el físico de Argonne Peter Zapol, otro autor del estudio.

A medida que la capa inferior continúa llenándose, los agujeros restantes tienden a ocurrir en áreas alejadas de los sitios de nucleación originales. Debido a que estos agujeros desalientan la nucleación de la siguiente capa en su vecindad, la nucleación de la siguiente capa tenderá a tener lugar lejos de los agujeros y cerca de los sitios de nucleación originales.

"Los patrones persistentes que vemos indican que hay comunicación entre las capas, "Stephenson dijo.?" Hay un vestigio de la primera capa que da información a la siguiente ".

La capacidad de caracterizar los patrones de la isla es el resultado del uso de los investigadores de rayos X coherentes proporcionados por Advanced Photon Source de Argonne. una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Según Stephenson, Los rayos X incoherentes utilizados en experimentos anteriores solo pudieron revelar características promedio del paisaje de la isla, mientras que los haces coherentes son sensibles a la disposición exacta de la isla.

"La forma antigua nos acaba de decir el espaciamiento y la forma promedio de las islas, con haces de rayos X coherentes, podemos generar mucha más información, ", dijo.?" La resolución se ha vuelto tan buena que ahora podemos resolver las correlaciones en toda la muestra, lo que significa que podemos ver cosas como este patrón que nos dicen cómo se relacionan las islas entre sí ".

Modelar la dinámica del crecimiento a nivel atómico ayudó a los investigadores a lograr una comprensión más profunda del crecimiento de los cristales, Dijo Zapol. ? "Si entendemos cómo crecen los cristales en este modo, podríamos comprender mejor algunos de los mecanismos detrás de la formación de defectos, así como desarrollar técnicas para sintetizar nuevos tipos de cristales ".

Un artículo basado en el estudio, "La espectroscopia coherente de rayos X revela la persistencia de los arreglos de islas durante el crecimiento capa por capa, "apareció en la edición del 4 de marzo de Física de la naturaleza . Otros autores de Argonne incluyeron Guangxu Ju, Dongwei Xu, Matthew Highland, Jeffrey Eastman, Paul Fuoss, y Hua Zhou. Carol Thompson de la Universidad del Norte de Illinois y Hyunjung Kim de la Universidad de Sogang en Corea del Sur también contribuyeron.