Een mogelijk wereldrecord: dunne films bestuderen onder extreme temperaturen met reflectometrie

Een team onderzoekers van ANSTO en de Technische Universiteit van Sydney heeft een record gevestigd door dunnefilmexperimenten uit te voeren bij 1.100 graden Celsius, met behulp van de Spatz-reflectometer, uitgerust met een vacuümoven.

De unieke combinatie van neutronenreflectometrie met hogetemperatuurapparatuur maakt inzichten op atomaire schaal mogelijk in dunnefilmgroei- en diffusieprocessen. Dit is van belang voor een breed scala aan dunnefilmtechnologie en apparaten die een reeks verwerkings- en warmtebehandelingsomstandigheden ondergaan om de prestaties te optimaliseren.

De UTS-groep, geleid door Francesca Iacopi en Aiswarya Pradeepkumar, heeft de groei van dunne koolstofvellen (grafeen) op SiC/Si-substraten bestudeerd, wat plaatsvindt bij hoge temperaturen. Dit bekroonde proces maakt zeer geleidende elektronica mogelijk die kan worden geïntegreerd met standaard siliciumfabricageprocessen.

Om de koolstofgroeimechanismen en de aanvangstemperaturen beter te begrijpen, maakte het UTS-team uitgebreid gebruik van de Spatz-neutronenreflectometer van het Australian Center for Neutron Scattering.

Met neutronenreflectometrie kunnen dunne films met een dikte van 1–100 nm worden bestudeerd. Vanwege de unieke kenmerken van neutronen kunnen onderzoeken ter plaatse worden uitgevoerd in geavanceerde monsteromgevingen, in dit geval een geavanceerde vacuümoven om filmveranderingen op een tijdschaal van minuten tot uren waar te nemen.

Dr. Aiswarya Pradeepkumar, onderzoeker bij het ARC Center for Transformative Meta-optical Systems en ontvanger van de Early Career Grant van het Australian Institute of Nuclear Science and Engineering (AINSE), leidde de ANSTO-UTS-samenwerking, het eerste experiment van zijn soort in Australië.

De onderzoek werd gepubliceerd in RSC-vooruitgangen vervolgens gemarkeerd in een artikel voor Neutronen Nieuws.

“De unieke neutronenreflectometrie bij hoge temperaturen heeft ons in staat gesteld inzicht te krijgen in de legeringsgemedieerde epitaxiale grafeensynthese op 3C-SiC/Si-substraten, waardoor nieuwe mogelijkheden voor 2D-materiaaloptimalisatie voor nano-elektronische en nanofotonische toepassingen worden onthuld”, aldus Dr. Pradeepkumar.

Twee ANSTO-wetenschappers, Dr. David Cortie en Dr. Anton Le Brun, maakten het onderzoek bij ANSTO mogelijk door de oven te integreren met Spatz.

Het Neutron Scattering Sample Environment and Scientific Operations team ondersteunde het proces door de oven te integreren op Spatz en de speciale monsterhouders te fabriceren. Beide waren essentieel voor het succes van de experimenten.

“Voor zover wij weten is dit het onderzoek naar neutronenreflectometrie met de hoogste temperatuur dat ooit is geregistreerd, en het is internationaal een relatief unieke mogelijkheid”, aldus Dr. Le Brun.

“Het is een vervolg op het baanbrekende werk dat Holt en collega’s eind jaren negentig bij de Pulsed Neutron Source van ISIS in Engeland hebben verricht.”

Het Spatz-instrument werd in 2020 overgebracht van HZB Berlin en geconfigureerd in het Centrum. Het grote, open karakter van het instrument maakt het mogelijk om een ​​reeks grotere monsteromgevingen te huisvesten.

“Ik ben erg enthousiast over de nieuwe mogelijkheden voor reflectometriewerk bij hoge temperaturen”, aldus Dr. Cortie.

“Deze capaciteit zal het voor het eerst mogelijk maken om een ​​reeks belangrijke dunnefilmprocessen te bestuderen met neutronenreflectometrie, om nanoschaalinzichten te onthullen die voor veel andere probes verborgen blijven. Er zijn al een aantal gerelateerde dunnefilmstudies gaande bij het Australian Center for Neutron Scattering.”