Физики записали на камеру образование нового атомного слоя

J.-C. Harmand et al. / Physical Review Letters

Французские физики впервые засняли рост слоев нанокристалла арсенида галлия с разрешением, позволяющим разглядеть отдельные атомы. Для этого ученые выращивали нанокристаллы с помощью метода пар-жидкость-кристалл и использовали просвечивающий электронный микроскоп, чтобы получить изображения образцов. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

Свойства макроскопических кристаллов, к которым мы привыкли в повседневной жизни (например, бриллиантов из ювелирных украшений), в основном определяются строением кристаллической решетки и ее дефектами, но практически не зависят от формы их поверхности и граней. В то же время, при уменьшении размеров кристалла число «объемных» атомов уменьшается быстрее (~L3), чем число атомов, расположенных вблизи поверхности (~L2), а потому поверхностные эффекты начинают проявляться сильнее. Для нанокристаллов, характерный размер которых составляет несколько сотен нанометров, форма границы играет особенно важную роль. В частности, она проявляется на этапе роста кристалла, когда в его решетку встраиваются новые атомы.

Впервые влияние граничных условий на рост нанокристаллов заметили в 1964 году, когда американские физики Ричард Вагнер (Richard Wagner) и Уильям Эллис (W Ellis) разработали метод ПЖК (пар-жидкость-кристалл) для выращивания полупроводящих нанопроводов. В этом методе химические вещества, из которых состоит кристалл, растворяется в капле жидкого катализатора и создает в нем пересыщенный раствор. В результате в катализаторе начинает расти нанокристалл, одна из граней которого прилегает к капле. Несколько лет назад точность электронных микроскопов выросла настолько, что физики смогли подробно изучить этот процесс — в частности, обнаружить, что слои нанокристалла нарастают последовательно, а не одновременно. В некоторых случаях исследователям даже удалось заметить, как по поверхности кристалла движется граница нарастающего слоя. Тем не менее, увидеть встраивание атомов непосредственно в кристаллическую структуру до сих пор никому не удавалось.

Группа ученых под руководством Жана-Кристофа Армана (Jean-Christophe Harmand) впервые засняла процесс формирования кристаллической решетки, используя просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ). В этом эксперименте тонкий образец насквозь просвечивается пучком электронов, который усиливается системой магнитных линз и формирует изображение на ПЗС-матрице. Поскольку длина волны электронов много меньше длины волны видимого света (при энергии около 200 килоэлектронвольт длина де Бройля λ ≈ 0,01 нанометра), разрешение ПЭМ на несколько порядков превышает разрешение обычных микроскопов. Для выращивания нанокристалла ученые растворяли галлий в капле жидкого золота, нагретого до температуры порядка 400 градусов Цельсия, а потом насыщали ее мышьяком. Когда раствор пресыщался, на капле начинал расти нанокристалл арсенида галлия. Разрешение изображения достигало 0,1 нанометра, так что физики могли проследить за встраиванием в структуру отдельных атомов галлия и мышьяка. За все время наблюдений на кристалле наросло около 50 новых слоев.


В результате ученые обнаружили несколько особенностей, сопровождавших формирование кристалла. Во-первых, кристалл наращивает слои последовательно — пока в предыдущем слое не будут заняты все доступные места, следующий не образуется. Это согласуется с результатами предыдущих экспериментов. Во-вторых, новый слой нарастает либо «слева направо», либо «справа налево», всегда стартуя от боковой границы кристалла, однако точки начала и окончания роста все время разные. В-третьих, граница каждого нового слоя в течение роста меняется с выпуклой на вогнутую. В-четвертых, отношение площади области, закрытой новым слоем, практически линейно растет со временем.

Авторы статьи отмечают, что электроны, которые использовались для создания изображения кристалла, не могли повлиять на его рост. Во-первых, при используемой энергии электронов локальным нагреванием образца можно пренебречь, поскольку капля хорошо отводит тепло. Во-вторых, геометрия образца не изменялась при колебаниях мощности пучка. Наконец, форма полученного образца не отличалась от формы образцов, которые не облучались электронами во время роста.

В декабре 2015 года канадские физики впервые получили двумерные срезы фермионного облака и разглядели решетку, которую образуют атомы. В декабре 2016 года ученые из США и Китая впервые получили изображения монослоя атомов ксенона, на котором были запечатлены силы Ван-дер-Ваальса. А в феврале 2018 года британский физик выиграл конкурс научной фотографии британского Совета по инженерным и физическим научным исследованиям, засняв на обычную зеркальную камеру излучение иона стронция.

На прошлой неделе исследователи из США и Канады построили камеру, которая записывает электромагнитные волны со скоростью около 10 триллионов кадров в секунду, и засняли на нее расщепление лазерного пучка, проходящего через пластинку полупрозрачного стекла.

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.