Gäckande atomvandring fångad med elektronmikroskopi

När atomer rör sig genom ett material kan det ibland ställa till med problem. Med atomupplöst elektronmikroskopi har forskare vid Linköpings universitet för första gången fångat ett fenomen, som under många årtionden har gäckat materialforskare. Studien publiceras i Naturetidskriften Scientific Reports.

I en del sammanhang är det väldigt viktigt att gränser upprätthålls. Tunnfilmsmaterial, som består av extremt tunna lager av olika material, är ett exempel på det. Det är välkänt att atomerna kan röra sig, eller diffundera på olika sätt, i material. Ett av diffusionssätten har länge varit ett teoretiskt koncept som föreslogs redan på 1950-talet, men har gäckat materialforskare sedan dess. Forskare har hittills använt teoretiska modeller och indirekta metoder för att beskriva fenomenet, som kallas dislocation-pipe diffusion.

Nu har forskare vid Linköpings universitet och University of California i Berkeley observerat den svårfångade förflyttningen av atomer mellan lagren i en tunnfilm. De använde skanningstransmissionselektronmikroskopi (STEM) med så hög upplösning att det går att se hur de enskilda atomerna är placerade i materialet. Forskarna detaljstuderade en tunnfilm där metallen hafniumnitrid (HfN) varvas med halvledarmaterialet scandiumnitrid (ScN) i lager som är runt 5 miljarddels meter tjocka.

HfN/ScN-tunnfilmens egenskaper gör den till en lämplig kandidat för användning i exempelvis beläggningsteknik och mikroelektronik. Då är det mycket viktigt att lagren av metall och halvledare inte blandas. Om atomer rör sig så långt att det bildas en bro mellan lagren i filmen kan det bli problem, ungefär som kortslutning i en elektrisk krets.

– Materialet som vi har tittat på i den här studien fungerar som ett perfekt modellsystem, men den här typen av diffusion sker i nästan alla material. I alla elektroniska komponenter i mobiltelefoner, datorer och liknande konstruktioner har vi metaller och halvledare. Därför är det viktigt att inom materialvetenskapen förstå den här sortens diffusion, säger Magnus Garbrecht, biträdande universitetslektor vid Institutionen för fysik, kemi och biologi (IFM) vid Linköpings universitet.

Upptäckten som beskrivs i studien kom till när Magnus Garbrecht värmde upp HfN/ScN-tunnfilmen till 950° C och märkte att hafnium gick ner i underliggande lager. Det visade sig att det fanns en defekt i materialet just där fenomenet uppstod. Forskarna värmde upp materialet flera gånger, undersökte det med STEM-mikroskopi och mätte hur långt enskilda atomer rörde sig.

– Våra mätvärden passar bra med värden från tidigare experiment med indirekta metoder och teoretiska modeller, vilket styrker att det vi ser verkligen är dislocation-pipe diffusion, säger Magnus Garbrecht.

Forskarna bakom studien lägger fram en förklaring till varför atomerna vandrar när materialet värms upp. Vid de linjära defekterna är de enskilda atomerna förskjutna i förhållande till varandra. Atomerna strävar efter att vara placerade i en perfekt kubisk struktur och när ordningen rubbas uppstår en anspänning. I studien visar forskarna att spänningarna i materialet blir mindre och mindre när atomerna diffunderar.

– Diffusionen leder till att spänningarna i materialet minskar och det förklarar varför det bara sker längs linjära defekter, säger Magnus Garbrecht.

Medförfattaren Bivas Saha vid University of California växte tunnfilmen och han och Magnus Garbrecht har nyligen fått forskningsmedel från Stiftelsen för internationalisering av högre utbildning och forskning, STINT, för att utveckla samarbetet. Forskningen har finansierats med stöd av bland annat Vetenskapsrådet, regeringens strategiska satsning på avancerade funktionella material (AFM) och Knut och Alice Wallenbergs stiftelse.

Artikel: Dislocation-pipe diffusion in nitride superlattices observed in direct atomic resolution, Magnus Garbrecht, Bivas Saha, Jeremy L. Schroeder, Lars Hultman, Timothy D. Sands, Scientific Reports, publicerad online 6 april 2017, doi: 10.1038/srep46092

För fler frågor, kontakta:

Magnus Garbrecht, biträdande universitetslektor, magnus.garbrecht@liu.se, 013-28 67 66