Die Kraft, die Atome von der heißen Seite eines Materials zur kalten Seite drückt, wird durch das kontinuierliche Ziehen mikroskaliger Muster auf einer Oberfläche demonstriert. Wenn in einem Mikroschaltkreis eines Geräts wie einem Mobiltelefon ein erheblicher Temperaturunterschied herrscht, können Atome wandern und schließlich zu schlechten elektrischen Verbindungen führen. Derzeit hat sich bei dieser mikroskaligen Verfolgung, Thermomigration genannt, gezeigt, dass eine diffusionsinduzierte Kraft der treibende Faktor der Bewegung ist. Die Wissenschaftler untersuchten flache Vertiefungen oder „Becken“, die sich auf der Oberfläche eines quadratischen Siliziumwafers bildeten, der auf einer Seite erhitzt und auf der anderen gekühlt wurde. Sie beobachteten, wie sich die Atome aufgrund des Temperaturunterschieds bewegten, während sie sich über die Becken bewegten.
Andere Forscher könnten mithilfe der extrahierten Kraft und einer allgemeinen Charakterisierung des Prozesses neue Strategien entwickeln, um das Wachstum von Nanostrukturen zu regulieren.
Der Gradient (Temperaturunterschied) zwischen zwei Orten beeinflusst, wie schnell sich die Thermomigration von einem Bereich zum anderen bewegt. Laut Leroy von der Universität Aix-Marseille verbringen Ingenieure viel Zeit mit der Konstruktion, um thermische Gradienten zu vermeiden. Leroy argumentiert jedoch, dass die grundlegenden Ideen, die dieser Bewegung zugrunde liegen, nicht besser verstanden werden. „Wir schlagen eine Methode zur Quantifizierung der Migration vor, um einen sehr genauen Wert der Kraft zu erhalten, die die Bewegung antreibt.“
Um die atomare Bewegung aufzuzeichnen, begannen Leroy und seine Kollegen mit einem Siliziumwafer, der 9 mm breit war und eine sehr flache, gleichmäßige Oberfläche hatte.
Durch Anlegen einer Wärmequelle auf der einen Seite und eines Kühlkörpers auf der anderen Seite wurde ein Temperaturunterschied von ca. 100 °C erzeugt. Das Team sagte voraus, dass sich Siliziumatome unter diesem Gradienten von heißeren zu kühleren Teilen der Oberfläche bewegen würden. Es wäre jedoch schwierig, diese Bewegung tatsächlich zu erkennen. Weil sich Atome so schnell bewegen, erklärt Leroy: „Wir können die Atombewegung nicht direkt messen.“
Stattdessen untersuchten die Wissenschaftler atomar tiefe Vertiefungen auf der Waferoberfläche mithilfe eines Elektronenmikroskops. Mithilfe aufeinanderfolgender Fotografien ermittelten die Wissenschaftler die Wanderung dieser mehrere Mikrometer breiten Strukturen mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,2 Nanometern pro Sekunde (nm/s) in Richtung der heißen Kante des Wafers.
Die Forscher erklären, dass die Bewegung des Beckens durch die Diffusion von Siliziumatomen verursacht wird. Wie in einem zweidimensionalen Gas lösen sich Atome von der heißen Wand des Beckens und beginnen, sich chaotisch am Boden des Beckens zu bewegen. Wenn eines dieser verteilten Atome die kältere Wand des Beckens erreicht, kann es sich rekombinieren. Durch den Gesamtprozess bewegen sich die Beckenwände in Richtung der Wärmequelle.
Mithilfe dieses Diffusionsmodells berechneten Wissenschaftler eine Thermomigrationskraft von etwa 108 eV/nm, was millionenfach geringer ist als die Kräfte, die eine chemische Bindung bewirken. Leroy schlägt vor, dass aufgrund der höheren Temperaturgradienten in Mikroschaltkreisen die Thermomigrationskraft hier stärker sein sollte. Es sind jedoch weitere Untersuchungen mit verschiedenen Materialtypen erforderlich, um festzustellen, wie stark die Kraft sein wird. Diese Experimente könnten Aufschluss darüber geben, ob der vom Team identifizierte Diffusionsmechanismus ein Merkmal der Thermomigration im Allgemeinen ist.
Der japanische Oberflächenwissenschaftler Hibino war überrascht, dass die Bewegung der Becken in den Daten so ausgeprägt zu sein schien, da die atomare Bewegung recht komplex ist und der Temperaturunterschied zwischen den Becken minimal ist (etwa 0,04 °C). Laut Hibino waren es gut konzipierte Experimente, die es den Autoren ermöglichten, den Thermomigrationseffekt aus anspruchsvollen Prozessen erfolgreich zu extrahieren.
Die Arbeit zeige „wunderbares technisches Können“ und „die experimentellen Messungen sind beeindruckend“, so der französische Theoretiker der kondensierten Materie Olivier Pierre-Louis. Dennoch glaubt er, dass weitere Forschung erforderlich ist, um das theoretische Modell zu verbessern. Seiner Meinung nach könnte ein besseres Verständnis der Thermomigration zu völlig neuen Methoden zur Herstellung von Nanostrukturen führen, die Wärmegradienten nutzen, um Atome über eine Oberfläche zu bewegen. „Dank ihres Papiers verfügen wir jetzt über die Zahlen, die uns sagen, was möglich ist und was nicht“, sagt Pierre-Louis.
Quelle: https://physics.aps.org/
📩 17/09/2023 19:03