(PhysOrg.com) - Hace casi tres años, un equipo de científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. Estaba realizando un experimento en el que se calentaban capas de oro de meras nanómetros (mil millonésimas de metro) de espesor. sobre una superficie plana de silicona y luego se deja enfriar. Observaron con sorpresa cómo las características peculiares se expandían y cambiaban en la pantalla de su microscopio electrónico. finalmente asentarse en círculos rodeados de ampollas irregulares.

Los círculos variaban en diámetro hasta unas millonésimas de metro, y en el centro de cada uno había un cuadrado perfecto. Los patrones misteriosos no recordaban más que a los llamados círculos de cultivos "extraterrestres".

Hasta hace poco, la causa de estas extrañas formaciones seguía siendo un misterio. Ahora los conocimientos teóricos han explicado lo que está sucediendo, y los resultados han sido publicados en línea por Cartas de revisión física .

Fusión ansiosa de aleaciones

Cuando dos sólidos se combinan en las proporciones adecuadas, los cambios en los enlaces químicos pueden producir una aleación que se derrite a una temperatura mucho más baja de la que cualquiera de los dos puede derretirse por sí mismo. Tal aleación se llama eutéctica, Griego para "buena fusión". La aleación eutéctica de oro y silicio (81 por ciento de oro y 19 por ciento de silicio) es especialmente útil en el procesamiento de semiconductores a nanoescala como nanocables, así como interconexiones de dispositivos en circuitos integrados; se licua a unos modestos 363 ° Celsius, mucho más bajo que el punto de fusión del oro puro, 1064 ° C, o silicio puro, 1414 ° C.

"El líquido eutéctico de silicio dorado puede soldar capas de chips de forma segura o formar cables conductores microscópicos, fluyendo en canales en el sustrato sin quemar el entorno, ", dice Junqiao Wu de Berkeley Lab." Es particularmente interesante para procesar materiales y dispositivos a nanoescala ". Wu cita el ejemplo de los nanocables de silicio, que se puede cultivar a partir de perlas de líquido eutéctico que se forman a partir de gotas de oro. Las perlas catalizan la deposición de silicio de un vapor químico y viajan sobre los bigotes de nanocables que se alargan continuamente.

Entender cómo y por qué sucede esto ha sido un desafío. Aunque las aleaciones eutécticas están bien estudiadas como sólidas, el estado líquido presenta más obstáculos, que son particularmente formidables a nanoescala debido a una tensión superficial muy aumentada, las mismas fuerzas superficiales que dificultan la formación de películas ultrafinas de agua, por ejemplo, porque tiran del agua en gotitas. A escalas más pequeñas, la relación entre el área de la superficie y el volumen aumenta notablemente, y las estructuras a nanoescala se han descrito prácticamente como "toda la superficie".

Estas son las condiciones que el equipo liderado por Wu, quien es científico de la facultad en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y profesor en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de California en Berkeley, se dispuso a examinar, creando las películas más delgadas posibles de aleaciones eutécticas de oro-silicio. Los investigadores lo hicieron partiendo de un sustrato de silicio puro, en cuya superficie plana se había formado una capa barrera extremadamente delgada (dos nanómetros de espesor) de dióxido de silicio. Sobre esta superficie pusieron capas de oro puro, variando el grosor de una prueba a la siguiente entre unos pocos nanómetros y unos considerables 300 nanómetros. La barrera de dióxido de silicio evitó que el silicio puro se mezclara con el oro.

El siguiente paso fue calentar la muestra estratificada a 600 ° C durante varios minutos; no lo suficientemente caliente para derretir el oro o el silicio, pero lo suficientemente caliente como para causar que los poros que existen de forma natural en la fina capa de dióxido de silicio se agranden y se conviertan en pequeños puntos débiles. a través del cual el silicio puro podría entrar en contacto con el oro que lo recubre. A la temperatura alta, Los átomos de silicio se difundieron rápidamente fuera del sustrato hacia el oro, formando una capa de aleación eutéctica de oro y silicio de casi el mismo grosor que el oro original y extendiéndose en un círculo virtualmente perfecto desde el orificio central.

Cuando el disco circular de aleación eutéctica se hizo lo suficientemente grande, de repente se rompió, interrumpido por la alta energía superficial del líquido eutéctico de oro-silicio. Los escombros fueron literalmente tirados a los bordes del disco, amontonándose a su alrededor para dejar una zona central desnuda de dióxido de silicio desnudo.

En el centro de la zona desnuda, quedaba un cuadrado perfecto de oro y silicio.

Química y cristalografía, no extraterrestres

El descubrimiento más sorprendente de los investigadores fue que cuanto más delgada era la capa de oro original, cuanto más rápido se expandían los círculos eutécticos. La velocidad de reacción cuando las capas de oro tenían solo 20 nanómetros de espesor era más de 20 veces más rápida que cuando las capas tenían 300 nanómetros de espesor. Y aunque a primera vista las dimensiones de los cuadrados de oro y silicio dentro de las zonas circulares desnudas parecían variables, de hecho, existía una relación estricta entre el tamaño del cuadrado y el tamaño del círculo:el radio del círculo era siempre la longitud del cuadrado elevado a la potencia de 3/2.

¿Cómo llegaron los cuadrados allí en primer lugar? Se originaron como puntos débiles que eran la fuente de los círculos eutécticos de oro-silicio que se extendían; cuando se rompió el eutéctico circular, los cuadrados se llenaron con el mismo eutéctico, que permaneció en los centros de las zonas desnudas. Mientras se enfriaban, el oro y el silicio dentro de los cuadrados separados, dejando bordes bien definidos que eran de silicio puro; los centros eran cuadrados de oro puro más toscamente delineados.

Cortando a través de la capa de silicio / dióxido de silicio / oro y mirando de lado a las estructuras con un microscopio electrónico, los investigadores encontraron que los cuadrados de la superficie eran las bases de las pirámides invertidas, asemejándose a los dientes que penetran en la fina capa de dióxido de silicio y se incrustan en la oblea de silicio. Los cuadrados eran cuadrados De hecho, debido a la orientación del silicio:el sustrato se había cortado a lo largo del plano cristalino que definía la base. Los cuatro lados triangulares de las pirámides se encuentran a lo largo de los planos de baja energía de la red cristalina y se definen por sus intersecciones.

Lo que comenzó como un fenómeno desconcertante que recuerda a "Expediente X, "si en una escala considerablemente menor que la cósmica, el misterio de los "círculos de los cultivos a nanoescala" finalmente cedió a una observación cuidadosa y un análisis teórico, a pesar de los obstáculos que plantean las altas temperaturas, tamaños a nanoescala, inestabilidades del estado líquido, y escalas de tiempo extremadamente rápidas.

"Descubrimos que la velocidad de reacción en la formación de líquidos eutécticos de oro-silicio de tamaño pequeño, y quizás también en muchos otros eutécticos, está dominada por el grosor de las capas que reaccionan, ", dice Wu." Este descubrimiento puede proporcionar nuevas rutas para la ingeniería y el procesamiento de materiales a nanoescala ".