El movimiento de átomos a través de un material puede causar problemas en determinadas circunstancias. La microscopía electrónica de resolución atómica ha permitido a los investigadores de la Universidad de Linköping en Suecia observar por primera vez un fenómeno que ha eludido a los científicos de materiales durante muchas décadas. El estudio se publica en Informes científicos .

En algunos contextos, es extremadamente importante que se mantengan los límites. Un ejemplo está dentro de la tecnología de película fina, que utiliza películas extremadamente delgadas de varios materiales apilados uno encima del otro. El movimiento inducido térmicamente de átomos a través de un material, difusión, es bien sabido. Ya en la década de 1950 se propuso un tipo específico de difusión a lo largo de defectos lineales en un material, pero se ha mantenido como un concepto teórico desde entonces y los investigadores nunca han podido observarlo directamente. En lugar de, Los modelos teóricos y los métodos indirectos se aplican comúnmente para medir ese fenómeno, conocido como difusión de tubo de dislocación.

Investigadores de la Universidad de Linköping y la Universidad de California en Berkeley finalmente han podido observar la migración de átomos entre las capas de una película delgada. Utilizaron microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) con una resolución tan alta que fue posible obtener imágenes de las posiciones de los átomos individuales en el material. El espécimen que estudiaron era una película delgada en la que capas de un metal, nitruro de hafnio (HfN), alrededor de 5 mil millonésimas de metro de espesor, alternar con capas de un semiconductor, nitruro de escandio (ScN).

Las propiedades de las capas de HfN / ScN hacen de este material un candidato adecuado para su uso en, por ejemplo, tecnología de recubrimiento y microelectrónica. Es muy importante por razones de estabilidad que las capas de metal y semiconductor no se mezclen. Surgen problemas si los átomos se difunden a través de una capa intermedia formando un puente cerrado entre las capas de la película, similar a un cortocircuito eléctrico.

"El material que hemos estudiado actúa como un sistema de modelo perfecto, pero este tipo de difusión ocurre en casi todos los materiales. Los metales y semiconductores se encuentran en todos los componentes electrónicos utilizados en los teléfonos móviles, ordenadores, etc. Por eso es importante que los científicos de materiales comprendan este tipo de difusión, "dice Magnus Garbrecht, profesor asociado asociado del Departamento de Física, Química y Biología en la Universidad de Linköping.

El descubrimiento descrito en el artículo se produjo cuando Magnus Garbrecht calentó HfN / ScN a 950 ° C. Notó que el hafnio se estaba difundiendo hacia las capas subyacentes. Resultó que había un defecto en el material donde surgió este fenómeno. Los investigadores calentaron el material varias veces y posteriormente lo examinaron usando STEM y midieron qué tan lejos se movían los átomos individuales.

"Los valores que medimos concuerdan bien con los de experimentos anteriores utilizando métodos indirectos y con los modelos teóricos, y esto nos da la certeza de que lo que estamos viendo realmente es una difusión de la tubería de dislocación, "dice Magnus Garbrecht.

Los investigadores proporcionan una explicación de por qué los átomos se difunden cuando se calienta el material. Los átomos individuales están ligeramente desplazados entre sí en las regiones alrededor de los defectos lineales. Los átomos tienden a organizarse en una simetría cúbica perfecta, y la tensión se acumula dentro de la celosía cuando se altera esta disposición. Los investigadores muestran en el estudio que esta cepa se relaja a medida que los átomos se difunden.

"La difusión reduce la tensión en el material y es por eso que solo ocurre a lo largo de los defectos lineales que atraviesan el material, "dice Magnus Garbrecht.