确定材料如何生长：BU， DOE和UVM的发现
在布鲁克海文国家实验室NSLS-II，澳门威尼斯人注册网站研究人员通过制作“电影”来演示这一过程
本文最初发表于布鲁克海文国家实验室2019年7月2日。斯蒂芬妮·科斯曼是作家．
从墙上的油漆到彩色车窗，薄膜构成了日常生活中各种各样的材料。但薄膜也被用于制造当今一些最重要的技术，如计算机芯片和太阳能电池。为了提高这些技术的性能，科学家们正在澳门威尼斯人注册网站研究驱动分子均匀堆叠成层的机制，这一过程被称为晶体薄膜生长。现在，一项新的澳门威尼斯人注册网站研究技术可以帮助科学家比以往任何时候都更好地了解这种生长过程。
来自佛蒙特大学、波士顿大学和美国能源部布鲁克海文国家实验室的澳门威尼斯人注册网站研究人员展示了一种新的实验能力，可以实时观察薄膜的生长。利用国家同步加速器光源II （NSLS-II）——位于布鲁克海文的美国能源部科学用户设施办公室——澳门威尼斯人注册网站研究人员能够制作出薄膜生长的“电影”，比传统技术更准确地描绘了这一过程。他们的澳门威尼斯人注册网站研究发表在2019年6月14日的《自然通讯》上。
薄膜是如何生长的
就像建造砖墙一样，薄膜通过层层叠加而“生长”。在这项澳门威尼斯人注册网站研究中，科学家们专注于一种名为C60的纳米材料的生长过程，这种材料因其在有机太阳能电池中的应用而广受欢迎。
“C60是一种球形分子，具有足球的结构，”佛蒙特大学物理学家兰德尔·海德里克说，他是这项澳门威尼斯人注册网站研究的主要作者。“在‘黑色’和‘白色’斑块交汇的所有角落都有一个碳原子，总共有60个碳原子。”
尽管球形C60分子不能像砖块在墙上那样完美地并排排列，但它们仍然会形成统一的图案。
海德里克说：“想象一下，你有一个大箱子，里面装满了一层弹珠。“弹珠会沿着箱子底部排成一个漂亮的六角形。然后，当你铺下一层大理石时，它们会填满底层大理石之间的空隙，形成另一层完美的大理石。我们正在澳门威尼斯人注册网站研究导致弹珠或分子找到这些有序位置的机制。”
但在现实生活中，薄膜并没有均匀地堆叠这些元素。例如，当用弹珠装满一个箱子时，你可能在箱子的一边有三层弹珠，而在另一边只有一层。传统上，薄膜的这种非均匀性很难测量。
“在其他实验中，我们只能澳门威尼斯人注册网站研究经过特殊抛光的单晶，这样整个表面在同一时间表现出相同的行为，”Headrick说。“但这不是材料在现实生活中的表现。”
这个动画是薄膜生长的简化表示。当C60分子沉积在材料上时，它们会同时形成多层，而不是一次形成一层。当一个分子到达材料表面后，它通过表面扩散向现有层的边界或“阶梯边缘”迁移，导致阶梯边缘从堆的中心移出。随着新层以有组织的模式不断形成，这个过程不断重复。在相当于一层完整分子沉积到材料上后，土墩的高度增加了一层。每层等效全层沉积后，台阶边缘的模式是自相似的，只是多移了一层。这项澳门威尼斯人注册网站研究的主要结果是，这种重复的自相似性，或“自相关”，可以用相干x射线定量测量，并且自相关可以用来推断沉积过程中阶跃边缘如何传播的某些细节。视频由布鲁克海文国家实验室提供。
通过相干x射线澳门威尼斯人注册网站研究薄膜生长
为了收集更准确地描述薄膜生长的数据，Headrick来到NSLS-II的相干硬x射线散射（CHX）光束线，设计了一种新的实验，一种利用光束线的相干x射线的实验。澳门威尼斯人注册网站研究小组使用了一种叫做x射线光子相关光谱学的技术。
“通常，当你做x射线实验时，你看到的是平均信息，比如分子的平均大小或它们之间的平均距离。当材料表面变得不那么均匀或‘粗糙’时，你寻找的特征就会消失，”CHX的首席光束线科学家、该澳门威尼斯人注册网站研究的合著者安德烈·弗鲁拉苏（Andrei Fluerasu）说。“CHX的特别之处在于，我们可以使用相干x射线束产生干涉图案，这可以被认为是指纹。随着材料的生长和变化，它的指纹也会随之变化。”
CHX产生的“指纹”以斑点图案的形式出现，它代表了材料顶层分子的精确排列。随着层的不断堆积，科学家们可以观察指纹的变化，就好像它是薄膜生长的一部电影。
“这是不可能用其他技术来测量的，”Fluerasu说。
通过计算机处理，科学家们能够将斑点模式转换成更容易解释的相关函数。
海德里克说：“像高分辨率显微镜这样的仪器实际上可以制作这些材料的真实图像，但这些图像通常只能显示材料的狭窄视图。”“随着时间的推移而变化的斑点模式并不那么直观，但它为我们提供了与现实案例更相关的数据。”
CHX的光束线科学家卢茨·维加特（Lutz Wiegart）补充说：“这项技术使我们能够了解生长过程的动态，从而弄清楚它们与薄膜质量的关系，以及我们如何调整过程。”
本澳门威尼斯人注册网站研究对C60的详细观察可用于提高有机太阳能电池的性能。展望未来，澳门威尼斯人注册网站研究人员计划使用这种技术来澳门威尼斯人注册网站研究其他类型的薄膜。
这项澳门威尼斯人注册网站研究得到了美国能源部科学办公室和国家科学基金会的支持。