科学者が結晶について話すとき、それらはしばしば単結晶を意味します。これらの高度に秩序化された構造は、反復的な3次元パターンで配置された原子、分子またはイオンで構成されています。繰り返される建物ブロックユニットは規則的であり、互いにきちんと積み重ねられているため、単結晶は強く、均一で、特徴づけやすい傾向があります。
しかし、自然は完全な単結晶を提供することはめったにありません。代わりに、材料はしばしば、より小さなランダムに配向した単結晶の寄せ集めの多結晶凝集体として提供されます。
材料の特性は、その原子または分子がどのように梱包されるかに大きく依存するため、その格差は重要です。たとえば、シリコン太陽電池とLEDの性能は、材料の小さな単結晶のサイズと方向に依存します。
現在、Journal Acs Nanoに報告している研究者は、結晶の成長をどのように撮影したかを説明しています。バージニア大学のYassar Dahmanが率いるチームは、原子力顕微鏡として知られる顕微鏡法を使用して、シリコン基板上で小さな結晶がどのように核形成するかを視聴しました。
原子間力顕微鏡は、スキャンプローブ顕微鏡の顕微鏡と同様の鋭い片持ちを使用して、表面をスキャンします。カンチレバーがサンプルを横切って移動すると、先端と表面の間に一定の力を維持するために、必要に応じて垂直位置が調整されます。結果のデータを使用して、スキャンに沿って表面地形がどのように変化するかを判断できます。
グループは、楽器を設置して、2ミリ秒ごとに2マイクロメートルよりわずかに大きい領域をスキャンするために、30分以上継続するプロセスです。研究者のビデオは、ナノメートルスケールの結晶島が基板上にどのように形成されるかを示しています。また、このビデオは、島が急速に成長し、互いに合併し、材料がそれ自体を再配置するにつれて表面を動き回り、最終的により大きく、より完全な結晶を形成することを明らかにしています。
「小さな島の核形成を見ることができます。それは成長を開始し、最終的には別の島を襲い、それと合併します」とダーマンは言います。
Dahmanは、映画のタイムスケールは、走査型トンネル顕微鏡などの表面上の原子の動きを画像化するために使用される他の技術のそれよりも桁違いに桁違いにあると指摘しています。 「ここで見せているものは、これらのテクニックで見られるものとは大きく異なります。これらは、表面を非常にゆっくりと調査しているため、静的な画像を示しています」と彼は言います。 「静止画像ではなく、映画を見ています。」
この手法では、島には最初は異なる構造があることが明らかになりましたが、結晶が大きくなるにつれて最も安定した構造が引き継がれます、とダーマンは言います。 「より安定した構造は、表面エネルギーが低い構造です」と彼は説明します。
ダーマンは、チームは新しい顕微鏡法を使用して、異なる材料がリアルタイムでどのように成長するかを研究し、材料が特定の結晶構造を採用する理由についてさらに学び、さまざまな用途向けのより良い材料を設計することを望んでいると言います。
シカゴ大学のマシュー・J・ハイランドは、研究に関与していなかったが、この作品は「非常に興味深い」「エキサイティング」だと語っています。
「ナノスケールでのその場での結晶成長の進化を観察する能力は、この分野にとって大きな価値があります」と彼は言います。そして、研究者はシリコンで成長している結晶を画像化しましたが、ハイランドは「この手法は、有機半導体、金属酸化物、さらには生体分子を含む他のさまざまな材料システムに等しく当てはまる」と述べています。
