Desde pintura en una pared hasta vidrios polarizados, Las películas delgadas componen una amplia variedad de materiales que se encuentran en la vida cotidiana. Pero las películas delgadas también se utilizan para construir algunas de las tecnologías más importantes de la actualidad, como chips de computadora y células solares. Buscando mejorar el desempeño de estas tecnologías, Los científicos están estudiando los mecanismos que impulsan a las moléculas a apilarse uniformemente en capas, un proceso llamado crecimiento de película fina cristalina. Ahora, una nueva técnica de investigación podría ayudar a los científicos a comprender este proceso de crecimiento mejor que nunca.

Investigadores de la Universidad de Vermont, Universidad de Boston, y el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han demostrado una nueva capacidad experimental para observar el crecimiento de películas delgadas en tiempo real. Usando la fuente de luz nacional de sincrotrón II (NSLS-II), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven, los investigadores pudieron producir una "película" de crecimiento de película delgada que describe el proceso con mayor precisión que las técnicas tradicionales. Su investigación fue publicada el 14 de junio de 2019 en Comunicaciones de la naturaleza .

Cómo crecen las películas delgadas

Como construir una pared de ladrillos las películas delgadas "crecen" apilando en capas superpuestas. En este estudio, los científicos se centraron en el proceso de crecimiento de un nanomaterial llamado C60, que es popular por su uso en células solares orgánicas.

"C60 es una molécula esférica que tiene la estructura de un balón de fútbol, "dijo el físico de la Universidad de Vermont, Randall Headrick, autor principal de la investigación. "Hay un átomo de carbono en todas las esquinas donde se unen los parches 'negro' y 'blanco', para un total de 60 átomos de carbono ".

Aunque las moléculas esféricas de C60 no encajan perfectamente una al lado de la otra como ladrillos en la pared, todavía crean un patrón uniforme.

"Imagina que tienes un cubo grande y lo llenas con una capa de canicas, "Dijo Headrick." Las canicas se empaquetarían juntas en un bonito patrón hexagonal a lo largo del fondo de la papelera. Luego, cuando colocaste la siguiente capa de canicas, encajarían en las áreas huecas entre las canicas en la capa inferior, formando otra capa perfecta. Estamos estudiando el mecanismo que causa las canicas o moléculas, para encontrar estos sitios ordenados ".

Pero en la vida real las películas delgadas no apilan esto de manera uniforme. Al llenar un recipiente con canicas, por ejemplo, puede tener tres capas de canicas en un lado del contenedor y solo una capa en el otro lado. Tradicionalmente, esta falta de uniformidad en películas delgadas ha sido difícil de medir.

"En otros experimentos, solo pudimos estudiar un solo cristal que fue especialmente pulido para que toda la superficie se comportara de la misma manera al mismo tiempo, ", Dijo Headrick." Pero no es así como se comportan los materiales en la vida real ".

Estudiar el crecimiento de películas delgadas a través de rayos X coherentes.

Para recopilar datos que describan con mayor precisión el crecimiento de películas delgadas, Headrick fue a la línea de luz de Dispersión Coherente de Rayos X Duros (CHX) en NSLS-II para diseñar un nuevo tipo de experimento, uno que hizo uso de los rayos X coherentes de la línea de luz. El equipo utilizó una técnica llamada espectroscopia de correlación de fotones de rayos X.

"Típicamente, cuando haces un experimento de rayos X, ves información promedio, como el tamaño medio de las moléculas o la distancia media entre ellas. Y a medida que la superficie de un material se vuelve menos uniforme o más áspera, 'las características que buscas desaparecen, "dijo Andrei Fluerasu, científico principal de la línea de luz en CHX y coautor de la investigación. "Lo que tiene de especial CHX es que podemos usar un haz de rayos X coherente que produce un patrón de interferencia, que se puede considerar como una huella digital. A medida que un material crece y cambia, su huella digital también lo hace ".

La "huella dactilar" producida por CHX aparece como un patrón moteado y representa la disposición exacta de las moléculas en la capa superior del material. A medida que las capas continúan apilando, los científicos pueden ver el cambio de la huella dactilar como si fuera una película del crecimiento de la película delgada.

"Eso es imposible de medir con otras técnicas, "Dijo Fluerasu.

A través del procesamiento informático, los científicos pueden convertir los patrones de moteado en funciones de correlación que son más fáciles de interpretar.

"Hay instrumentos como microscopios de alta resolución que pueden crear una imagen real de este tipo de materiales, pero estas imágenes generalmente solo muestran vistas estrechas del material, ", Dijo Headrick." Un patrón de motas que cambia con el tiempo no es tan intuitivo, pero nos proporciona datos que son mucho más relevantes para el caso de la vida real ".

Coautor Lutz Wiegart, un científico de líneas de luz en CHX, adicional, "Esta técnica nos permite comprender la dinámica de los procesos de crecimiento y, por lo tanto, averigüe cómo se relacionan con la calidad de las películas y cómo podemos ajustar los procesos ".

Las observaciones detalladas de C60 de este estudio podrían usarse para mejorar el rendimiento de las células solares orgánicas. Avanzando los investigadores planean utilizar esta técnica para estudiar también otros tipos de películas delgadas.