De kracht die atomen van de hete kant van een materiaal naar de koude kant duwt, wordt gedemonstreerd door het voortdurend slepen van microschaalpatronen op een oppervlak. Wanneer er een aanzienlijk temperatuurverschil is over een microcircuit in een apparaat zoals een mobiele telefoon, kunnen atomen migreren en uiteindelijk leiden tot slechte elektrische verbindingen. Momenteel heeft dit volgen op microschaal, genaamd thermomigratie, een door diffusie geïnduceerde kracht aangetoond als de drijvende factor achter de beweging. De wetenschappers keken naar ondiepe depressies, of ‘bekkens’, die zich vormden op het oppervlak van een vierkante siliciumwafel die aan de ene kant werd verwarmd en aan de andere kant werd afgekoeld. Ze zagen de atomen bewegen als gevolg van het temperatuurverschil terwijl ze door de bassins bewogen.
Andere onderzoekers kunnen nieuwe strategieën ontwikkelen om de groei van nanostructuren te reguleren met behulp van de geëxtraheerde kracht en algemene karakterisering van het proces.
De gradiënt (temperatuurverschil) tussen twee locaties beïnvloedt hoe snel de thermomigratie van het ene gebied naar het andere gaat. Volgens Leroy van de Universiteit van Aix-Marseille besteden ingenieurs veel tijd aan het ontwerpen om thermische gradiënten te vermijden. Maar Leroy stelt dat de fundamentele ideeën die ten grondslag liggen aan deze beweging niet beter worden begrepen. “Wij stellen een methode voor om migratie te kwantificeren, zodat we een zeer nauwkeurige waarde kunnen krijgen van de kracht die de beweging aandrijft.”
Om atomaire beweging vast te leggen, begonnen Leroy en zijn collega's met een siliciumwafel van 9 mm breed en een zeer vlak, uniform oppervlak.
Door aan de ene kant een warmtebron en aan de andere kant een koellichaam aan te brengen, werd een temperatuurverschil van ongeveer 100° C geproduceerd. Het team voorspelde dat siliciumatomen onder deze gradiënt van hetere naar koelere delen van het oppervlak zouden bewegen. Het zou echter moeilijk zijn om deze beweging daadwerkelijk te zien. Omdat atomen zo snel bewegen, legt Leroy uit: "We kunnen de atomaire beweging niet rechtstreeks meten."
In plaats daarvan onderzochten de wetenschappers de depressies op het wafeloppervlak één atoom diep met behulp van een elektronenmicroscoop. De wetenschappers gebruikten opeenvolgende foto's om de migratie van deze structuren, enkele micrometers breed, naar de hete rand van de wafer te bepalen met een snelheid van ongeveer 0,2 nanometer per seconde (nm/s).
De onderzoekers verklaren dat de beweging van het bassin wordt veroorzaakt door de diffusie van siliciumatomen. Net als bij een tweedimensionaal gas breken atomen los van de hete wand van het bassin en beginnen chaotisch rond de bodem van het bassin te bewegen. Wanneer een van deze verspreide atomen de koudere wand van het bassin bereikt, kan het recombineren. Als gevolg van het totale proces bewegen de bassinwanden in de richting van de warmtebron.
Met behulp van dit diffusiemodel berekenden wetenschappers een thermomigratiekracht van ongeveer 108 eV/nm, wat miljoenen keren minder is dan de krachten die chemische binding veroorzaken. Leroy suggereert dat vanwege de hogere temperatuurgradiënten in microcircuits de thermomigratiekracht hier sterker zou moeten zijn. Er zal echter verder onderzoek met verschillende soorten materialen nodig zijn om te bepalen hoe sterk de kracht zal zijn. Deze experimenten zouden kunnen uitwijzen of het diffusiemechanisme dat het team identificeerde een kenmerk is van thermomigratie in het algemeen.
De Japanse oppervlaktewetenschapper Hibino was verrast dat de beweging van de bassins zo duidelijk naar voren kwam in de gegevens, aangezien de atomaire beweging behoorlijk complex is en het temperatuurverschil tussen de bassins minimaal is (ongeveer 0,04 °C). Volgens Hibino hebben de auteurs dankzij goed ontworpen experimenten met succes het thermomigratie-effect uit uitdagende processen kunnen halen.
Het werk getuigt van “prachtige technische bekwaamheid” en “de experimentele metingen zijn indrukwekkend”, aldus de Franse theoreticus van de gecondenseerde materie Olivier Pierre-Louis. Toch denkt hij dat er meer onderzoek nodig is om het theoretische model te verbeteren. Volgens hem zou een beter begrip van thermomigratie kunnen resulteren in geheel nieuwe methoden voor het produceren van nanostructuren die warmtegradiënten gebruiken om atomen over een oppervlak te verplaatsen. “Dankzij hun paper hebben we nu de cijfers die ons vertellen wat mogelijk is en wat niet”, zegt Pierre-Louis.
Kaynak: https://physics.aps.org/
📩 17/09/2023 19:03