Ученые из Швеции впервые наблюдали движение атомов во время диффузии

Атомно-электронная микроскопия позволила исследователям из Университета Линчепинга в Швеции впервые наблюдать движение атомов через материал, явление, которое ускользало от ученых на протяжении многих десятилетий.

В некоторых случаях, крайне важно, чтобы границы сохранялись, например, в тонкопленочной технологии, которая использует чрезвычайно тонкие пленки из различных материалов, сложенных друг на друге. Термически индуцированное движение атомов через материал, диффузия, хорошо известна. Теория диффузии была предложена еще в 1950-е, но с тех пор исследователи никогда не были в состоянии наблюдать процесс непосредственно. Вместо этого, применялись теоретические модели и косвенные методы.

Исследователям из Университета Линчепинга и Университета Калифорнии в Беркли, наконец, удалось понаблюдать за миграцией атомов между слоями тонкой пленки. Они использовали метод сканирующей электронной микроскопии с таким высоким разрешением, что можно было получить изображения позиций отдельных атомов в материале. Образцом служила тонкая пленка из слоев металла, нитрида гафния (HfN), примерно 5 миллиардных долей метра толщиной, чередующихся со слоями полупроводника, нитрида скандия (ScN).
Свойства HfN/ScN делают этот материал подходящим для технологии нанесения покрытий и микроэлектроники. По соображениям стабильности очень важно, чтобы слои металла и полупроводника не смешивались. Проблемы возникают тогда, когда атомы диффундируют через прослойку, образуя замкнутый мост между слоями в пленке, похожий на электрическое короткое замыкание.



После нагрева до 950 °С гафний начал диффундировать в нижележащие слои и в этих местах возник дефект. Исследователи измерили, как далеко отдельные атомы перемещаются.

Исследователи дают объяснение, почему атомы диффундируют при нагревании материала. Отдельные атомы смещаются относительно друг друга в области линейных дефектов. Атомы, как правило, организовывают себя в идеальной кубической симметрии, и когда этот механизм нарушается, то напряжение накапливается внутри решетки, а атомы диффундируют вдоль  линейных дефектов через материал.