Η τεχνική αποκαλύπτει πώς σχηματίζονται κρύσταλλοι στις επιφάνειες
Όταν οι επιστήμονες μιλούν για κρυστάλλους, συχνά σημαίνουν μεμονωμένους κρυστάλλους. Αυτές οι δομές με υψηλά διατάχτες αποτελούνται από άτομα, μόρια ή ιόντα που διατεταγμένα σε ένα επαναλαμβανόμενο, τρισδιάστατο μοτίβο. Επειδή οι επαναλαμβανόμενες μονάδες κτιρίου-μπλοκ είναι τακτικές και στοίβες τακτοποιημένα το ένα στο άλλο, οι ενιαίοι κρύσταλλοι τείνουν να είναι ισχυροί, ομοιόμορφοι και εύκολο να χαρακτηριστούν.
Αλλά η φύση σπάνια παρέχει τέλειους μεμονωμένους κρυστάλλους. Αντ 'αυτού, τα υλικά συχνά έρχονται ως πολυκρυσταλλικά συσσωματώματα, ένα ποντίκι μικρότερων, τυχαία προσανατολισμένων μεμονωμένων κρυστάλλων.
Αυτή η ανισότητα έχει σημασία επειδή οι ιδιότητες ενός υλικού εξαρτώνται έντονα από το πώς τα άτομα ή τα μόρια του πακέτα μαζί. Για παράδειγμα, η απόδοση των ηλιακών κυττάρων και των LED του πυριτίου εξαρτάται από το μέγεθος και τον προσανατολισμό των μικροσκοπικών μεμονωμένων κρυστάλλων του υλικού.
Τώρα οι ερευνητές που αναφέρουν στο περιοδικό ACS Nano περιγράφουν πώς κινηματογραφούσαν την ανάπτυξη κρυστάλλων. Η ομάδα, με επικεφαλής τον Yassar Dahman του Πανεπιστημίου της Βιρτζίνια, χρησιμοποίησε μια μέθοδο μικροσκοπίας γνωστή ως μικροσκοπία ατομικής δύναμης για να παρακολουθήσει πώς οι μικροσκοπικοί κρύσταλλοι πυρήνουν σε ένα υπόστρωμα πυριτίου.
Τα μικροσκόπια ατομικής δύναμης χρησιμοποιούν ένα κοφτερό πρόβολο, παρόμοιο με αυτό ενός μικροσκοπίου ανίχνευσης σάρωσης, για να σαρώσουν την επιφάνεια. Καθώς το πρόβολο κινείται σε ένα δείγμα, η κατακόρυφη θέση του ρυθμίζεται όπως απαιτείται για να διατηρηθεί μια σταθερή δύναμη μεταξύ του άκρου και της επιφάνειας. Τα δεδομένα που προκύπτουν μπορούν στη συνέχεια να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό του τρόπου με τον οποίο η επιφανειακή τοπογραφία ποικίλλει κατά μήκος της σάρωσης.
Η ομάδα δημιούργησε το όργανο τους για να σαρώσει μια περιοχή ελαφρώς μεγαλύτερη από 2 μικρομέτρια σε μια πλευρά, κάθε 2 χιλιοστά του δευτερολέπτου - μια διαδικασία που συνέχισαν για περισσότερο από μισή ώρα. Το βίντεο των ερευνητών δείχνει πώς σχηματίζονται κρυσταλλικά νησιά κλίμακας νανομέτρων στο υπόστρωμα. Το βίντεο αποκαλύπτει επίσης ότι τα νησιά αναπτύσσονται γρήγορα, συγχωνεύονται μεταξύ τους και μετακινούνται γύρω από την επιφάνεια καθώς το υλικό αναδιατάζει το ίδιο, σχηματίζοντας τελικά μεγαλύτερα και πιο τέλεια κρύσταλλα.
"Μπορείτε να δείτε ένα μικρό νησί πυρήνα και θα αρχίσει να μεγαλώνει και τελικά να χτυπήσει ένα άλλο νησί και να συγχωνευθεί με αυτό", λέει ο Dahman.
Ο Dahman σημειώνει ότι η χρονική κλίμακα της ταινίας είναι τάξεις μεγέθους γρηγορότερα από εκείνη των άλλων τεχνικών που χρησιμοποιούνται για την απεικόνιση της κίνησης των ατόμων σε επιφάνειες, όπως η μικροσκοπία σήραγγας σάρωσης. "Αυτό που δείχνουμε εδώ είναι πολύ διαφορετικό από αυτό που βλέπουμε με αυτές τις τεχνικές, οι οποίες δείχνουν στατικές εικόνες επειδή εξετάζουν την επιφάνεια πολύ αργά", λέει. "Βλέπουμε μια ταινία, αντί για μια ακόμα εικόνα."
Η τεχνική αποκαλύπτει επίσης ότι τα νησιά έχουν αρχικά διαφορετικές δομές, αλλά στη συνέχεια η πιο σταθερή δομή αναλαμβάνει καθώς οι κρύσταλλοι μεγαλώνουν, λέει ο Dahman. "Η πιο σταθερή δομή είναι αυτή με την χαμηλότερη επιφανειακή ενέργεια", εξηγεί.
Ο Dahman λέει ότι η ομάδα ελπίζει να χρησιμοποιήσει τη νέα μέθοδο μικροσκοπίας για να μελετήσει τον τρόπο με τον οποίο τα διαφορετικά υλικά αναπτύσσονται σε πραγματικό χρόνο, να μάθουν περισσότερα για το γιατί τα υλικά υιοθετούν συγκεκριμένες κρυσταλλικές δομές και να σχεδιάσουν καλύτερα υλικά για διάφορες εφαρμογές.
Ο Matthew J. Highland του Πανεπιστημίου του Σικάγο, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα, λέει ότι το έργο είναι "πολύ ενδιαφέρουσα" και "συναρπαστικό".
"Η ικανότητα να παρατηρείται η εξέλιξη της ανάπτυξης κρυστάλλων in situ στη νανοκλίμακα έχει μεγάλη αξία στον τομέα", λέει. Και παρόλο που οι ερευνητές απεικόνισαν κρυστάλλους που αναπτύσσονται σε πυρίτιο, ο Highland σημειώνει ότι "αυτή η τεχνική είναι εξίσου εφαρμόσιμη σε διάφορα άλλα συστήματα υλικών, συμπεριλαμβανομένων των οργανικών ημιαγωγών, των μεταλλικών οξειδίων και ακόμη και των βιομορίων".
