Mecánica cuántica, literalmente:el diagrama esquemático ilustra cómo se desarrolla una tensión mecánica en nanofilms de aluminio de cinco y siete capas atómicas de espesor debido a los efectos cuánticos. La energía de los electrones representado en la oscilación decadente, depende del espesor de la película. Para alcanzar un mínimo de energía de electrones, el espesor de la película debe cambiar. Una película de cinco capas atómicas de espesor se ve obligada a comprimirse perpendicularmente a la superficie, donde en contraste, una película de siete capas atómicas se relaja perpendicularmente a la superficie. Paralelamente a la película, el sistema quiere expandirse o contraerse simultáneamente, respectivamente. Sin embargo, esto es imposible porque los átomos de aluminio están fijados al sustrato. Por lo tanto, se desarrolla una tensión de compresión o tracción que se muestra con las flechas amarillas. Significan la fuerza que se desarrolla para evitar la respectiva expansión o contracción. Crédito:David Flötotto / MPI para sistemas inteligentes
(Phys.org):lee cabezas en discos duros, láseres en reproductores de DVD, transistores en chips de computadora, y muchos otros componentes contienen películas ultrafinas de metal o materiales semiconductores. Las tensiones surgen en películas delgadas durante su fabricación. Estos influyen en las propiedades ópticas y magnéticas de los componentes, pero también provocan defectos en las redes cristalinas, y en el fin, conducir a la falla del componente. Como han establecido ahora los investigadores del departamento de Eric Mittemeijer en el Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes en Stuttgart, Las enormes tensiones en las películas son creadas por un mecanismo mecánico-cuántico que ha sido desconocido hasta ahora, basado en un efecto llamado confinamiento cuántico. Este efecto puede provocar tensiones equivalentes a mil veces la presión atmosférica estándar, depende del espesor. El conocimiento de esto podría ser útil para controlar las propiedades ópticas y mecánicas de los sistemas de película delgada y aumentar su estabilidad mecánica. Adicionalmente, También se podrían desarrollar sensores muy sensibles sobre la base de este conocimiento.
Películas de metal, Los materiales semiconductores o cerámicas se pueden cultivar hoy una capa atómica a la vez sobre sustratos cristalinos como el silicio. A pesar de esta precisión atómica, los defectos surgen invariablemente en las redes cristalinas de películas de sólo unos pocos nanómetros de espesor; a veces, solo falta un átomo en una red donde debería estar uno. Este tipo de defectos de la red pueden afectar la eficiencia de las células solares o láseres semiconductores. Una de las razones de esto son las tensiones que surgen en la película. Hasta ahora, Se consideró que la razón principal de estas tensiones era el crecimiento de la película en un material diferente, de modo que la red cristalina de la película no coincidiera con la del sustrato. Las separaciones atómicas en la película se contrajeron o expandieron correspondientemente, con un desarrollo de tensión de compresión o tracción. Científicos de materiales que trabajan con Eric Mittemeijer, Director del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes en Stuttgart, ahora han descubierto un mecanismo adicional que puede crear una tensión enorme en las películas ultrafinas.
David Flötotto y sus colegas descubrieron este mecanismo al analizar el estrés en películas de aluminio ultradelgadas. Usaron un aparato para esto que coloca con precisión una capa tras otra de átomos de aluminio sobre un sustrato de silicio, tal como se construye una pared de ladrillos. Al medir primero la tensión en una sola capa, luego en una doble capa, una capa triple y así sucesivamente, los investigadores descubrieron cómo cambiaba la tensión en la película de aluminio después de la deposición de cada nueva capa. Para hacer esto, determinaron cuánto se deformaba el sustrato de silicio debido a esta tensión. Y al hacerlo, ellos establecieron sorprendentemente que la tensión en la película fluctuó alrededor de 100 megapascales a medida que se espesaba. En comparación, la presión estándar de la atmósfera al nivel del mar es de aproximadamente 0,1 megapascal.
La película se expande y contrae, buscando el mínimo de energía
La base de este fenómeno radica en que los electrones se comportan de manera diferente en una película delgada de unas pocas capas atómicas que en una película más gruesa. Debido a la mecánica cuántica, las partículas elementales se describen no solo como partículas, pero también como olas. Dado que el espesor de las películas de unas pocas capas atómicas es solo algo mayor que la longitud de onda de los electrones, los electrones "sienten" los límites de la película. Este llamado confinamiento cuántico reduce drásticamente la flexibilidad de los electrones para absorber y liberar energía. Por lo tanto, los electrones solo ocupan estados de energía discretos.
La energía de los electrones fluctúa con el aumento continuo del espesor de la película. Primero aumenta con el grosor, luego disminuye, aumenta de nuevo, etcétera. El principio que se aplica aquí es que se hará todo lo posible para minimizar la energía del sistema. La película busca espesores para los que la energía del electrón sea lo más pequeña posible, es decir, los mínimos de esta fluctuación. Si la película crece una nueva capa de átomo más gruesa, es demasiado grueso o demasiado delgado para este mínimo. En el primer caso, se contrae, en el último caso se expande para alcanzar la energía mínima.
Las propiedades de las películas ultrafinas ahora se pueden adaptar de forma más adecuada
La expansión o contracción del espesor de la película da como resultado que la red atómica paralela a la película quiera expandirse o contraerse, respectivamente. Debido a que no puede hacer eso debido a su conexión fija al sustrato, se desarrolla una tensión de tracción o compresión en la película que han medido los investigadores. Cuando el espesor de la película se ha aumentado a cinco capas atómicas, se contrae, y en siete capas atómicas, se expande. Para explicar las tensiones medidas, los investigadores de Stuttgart desarrollaron un modelo que combina la teoría de los electrones libres y la Ley de Hooke, como se le conoce, que describe el comportamiento elástico de los cuerpos sólidos.
Los investigadores ven muchas aplicaciones potenciales para su descubrimiento. "Cuanto mejor se comprenda cómo se desarrollan las tensiones en una película espesa, mejor se puede controlar su crecimiento y evitar defectos de celosía, "dice David Flötotto. Además, la deformación mecánica en una película delgada influye en su propiedades ópticas y magnéticas. "Propiedades como estas ahora se pueden adaptar mejor para películas ultrafinas, "Flötotto está convencido. Las mediciones de la tensión también se pueden utilizar para determinar el espesor de una película en crecimiento con mucha precisión. También se podría explotar el efecto sobre todo para sensores de gas altamente sensibles. Porque al depositar incluso las cantidades más pequeñas de gas en la superficie, el estado energético de los electrones y, por tanto, las tensiones en la película se alteran.
El equipo ahora está trabajando para hacer viable el efecto también para películas gruesas (en el rango de 100 nanómetros). "Estamos trabajando en este momento en congelar el estado de estrés para controlar el estrés también en una película más gruesa, "dice Flötotto. De este modo se pueden mejorar propiedades como su estabilidad mecánica.
