Исследователи из Национальной лаборатории Ок-Ридж (Oak Ridge National Laboratory, ORNL) американского Министерства энергетики впервые в истории науки получили возможность непосредственного наблюдения движения атомов одного материала внутри другого материала, так называемого явления диффузии. Результаты таких наблюдений дадут ученым в руки возможность беспрецедентного понимания процессов, происходящих в различных материалах, оказывающих влияние на продолжительность срока службы и на надежность изделий из этих материалов.
"Это является первым в истории случаем, когда мы имели возможность наблюдать перемещения атомов примесей в объеме другого материала" - рассказывает Рохэн Мишра (Rohan Mishra), ученый из университета Вандербилта и внештатный сотрудник Отдела материаловедения и технологий лаборатории ORNL, - "И это событие играет огромное значение, ведь все полупроводники, являющиеся основой современной электроники, представляют собой материалы, кристаллическая решетка которых искусственно наполнена атомами примесей, дающими материалу определенные электрические свойства. А процессы "миграции" этих атомов примесей влияют как на флуктуацию характеристик электронных приборов, так и на надежность их работы".
В более ранние времена процессы распространения и перемещения атомов примесей в других материалах изучались преимущественно через вторичные косвенные методы или при помощи чисто теоретических вычислений. Движение же атомов примесей в материалах могла наблюдаться непосредственно лишь на поверхности этих материалов.
Проведенные учеными из лаборатории ORNLэксперименты дали им в руки уникальную возможность практической проверки теоретических методов, которые использовались уже достаточно давно в различных областях науки и техники. В этих экспериментах в качестве основного материала использовался нитрид алюминия, а ученые отслеживали перемещение атомов примесей церия и марганца. Следует отметить, что указанный выше набор элементов был взят вовсе не случайно, все дело в том, что согласно теоретическим расчетам атомы церия должны перемещаться в материале быстрее атомов марганца. И именно это является своего рода парадоксом, ведь атомы церия значительно больше по размерам, чем атомы марганца.
"Это кажется абсолютно парадоксальным, когда большой и более тяжелый атом перемещается внутри материала быстрее, чем меньший и легкий атом" - рассказывает Эндрю Лупини (Andrew Lupini), ученый из Отдела материаловедения и технологий лаборатории ORNL, - "И лишь прямые наблюдения за процессами помогут нам выяснить причины такого необычного явления".
В своих исследованиях ученые использовали сканирующий просвечивающий электронный микроскоп, разрешающей способности которого было достаточно для наблюдения процессов диффузии атомов примесей церия и марганца внутри исследуемого материала. И прямые наблюдения перемещений подтвердили, что большие атомы церия распространялись в материале достаточно быстро, в то время как меньшие атомы марганца практически стояли на месте.
Методика прямых наблюдений, разработанная учеными ORNL, может использоваться в самых различных областях, касающихся разработки сложных композитных материалов, в таких, к примеру, как разработка светодиодных источников света, цвет и стабильность которых зависит от количества и равномерности распределения примесей в объеме основного материала. Кроме этого, такую методику можно использовать в исследованиях надежности и в выявлении причин выхода из строя некоторых электронных приборов, созданных из высоколегированных материалов.
"Диффузионные процессы определяют насколько глубоко атомы примесей проникают вглубь материала и какими путями они передвигаются" - рассказывает Эндрю Лупини, - "Наш метод даст разработчикам материалов возможность выбора стратегии легирования, возможность выбора таких легирующих материалов, которые приведут к увеличению срока жизни разрабатываемого устройства".
Первоисточник
Подпишись: