Atomları bir malzemenin sıcak tarafından soğuk tarafına iten kuvvet, bir yüzey üzerindeki mikro ölçekli desenlerin sürekli sürüklenmesiyle gösterilir. Cep telefonu gibi bir cihazdaki bir mikro devre boyunca önemli bir sıcaklık farkı olduğunda, atomlar göç edebilir ve sonunda zayıf elektrik bağlantılarına yol açabilir. Şu anda, termomigrasyon olarak adlandırılan bu mikro ölçekli izleme, hareketin itici faktörü olarak difüzyona bağlı bir kuvvet göstermiştir. Bilim insanları, bir kenarı ısıtılan ve diğer kenarı soğutulan kare bir silikon levhanın yüzeyinde oluşan sığ çöküntülere ya da “havzalara” baktılar. Atomların havzalar boyunca hareket ederken sıcaklık farkının bir sonucu olarak hareket etmelerini izlediler.
Diğer araştırmacılar, çıkarılan kuvvet ve sürecin genel karakterizasyonu yardımıyla nanoyapıların büyümesini düzenlemek için yeni stratejiler geliştirebilir.
İki konum arasındaki gradyan (sıcaklık farkı), termomigrasyonun bir alandan diğerine ne kadar hızlı hareket ettiğini etkiler. Aix-Marseille Üniversitesi’nden Leroy’a göre mühendisler termal gradyanlardan kaçınmak için tasarım yapmaya çok zaman harcıyor. Ancak Leroy, bu hareketi destekleyen temel fikirlerin daha iyi anlaşılmadığını ileri sürüyor. “Hareketi yönlendiren kuvvetin çok doğru bir değerine sahip olmak için göçü niceliksel olarak ölçmek için bir yöntem öneriyoruz.”
Leroy ve meslektaşları, atomik hareketi kaydetmek için 9 mm genişliğinde ve çok düz, tekdüze bir yüzeye sahip bir silikon levha ile işe başladılar.
Bir kenara bir ısı kaynağı ve diğerine bir ısı emici uygulanarak yaklaşık 100° C’lik bir sıcaklık farkı üretildi. Ekip, silikon atomlarının bu gradyan altında yüzeyin daha sıcak kısımlarından daha soğuk kısımlarına doğru hareket edeceğini öngördü. Ancak, bu hareketi gerçekten görmek zor olacaktı. Atomlar çok hızlı hareket ettiğinden, Leroy şöyle açıklıyor: “Atom hareketini doğrudan ölçemeyiz.”
Bilim insanları bunun yerine, bir elektron mikroskobu kullanarak bir atom derinliğindeki gofret yüzey çöküntülerini incelediler. Bilim insanları, birkaç mikrometre genişliğindeki bu yapıların saniyede yaklaşık 0,2 nanometre (nm/s) hızla gofretin sıcak kenarına doğru göçünü belirlemek için art arda fotoğraflar kullandılar.
Havzanın hareketi araştırmacılar tarafından silikon atomu difüzyonundan kaynaklandığı şeklinde açıklanıyor. 2 boyutlu bir gazda olduğu gibi, atomlar havzanın sıcak duvarından ayrılır ve havzanın tabanında düzensiz bir şekilde hareket etmeye başlar. Bu dağılan atomlardan biri, havzanın daha soğuk duvarına ulaştığında yeniden birleşebilir. Havza duvarları, genel sürecin bir sonucu olarak ısı kaynağı yönünde hareket eder.
Bilim insanları bu difüzyon modelini kullanarak yaklaşık 108 eV/nm’lik bir termomigrasyon kuvveti hesapladılar ki bu kimyasal bağlanmaya neden olan kuvvetlerden milyonlarca kat daha azdır. Leroy, mikro devrelerde bulunan daha yüksek sıcaklık gradyanları nedeniyle, termomigrasyon kuvvetinin burada daha güçlü olması gerektiğini ileri sürmektedir. Bununla birlikte, kuvvetin ne kadar güçlü olacağını belirlemek için farklı türde malzemelerle daha fazla araştırma yapılması gerekecektir. Bu deneyler, ekibin tespit ettiği difüzyon mekanizmasının genel olarak termomigrasyonun bir özelliği olup olmadığını ortaya çıkarabilir.
Japon Yüzey Bilimci Hibino, atomik hareketin oldukça karmaşık olduğu ve havzalar arasındaki sıcaklık farkının minimum olduğu (yaklaşık 0,04 ° C) göz önüne alındığında, havzaların hareketinin verilerde bu kadar belirgin görünmesi karşısında şaşırmıştır. Hibino’ya göre, iyi tasarlanmış deneyler, yazarların zorlu süreçlerden termomigrasyon etkisini başarıyla çıkarmalarını sağlayan şeydir.
Fransız yoğun madde teorisyeni Olivier Pierre-Louis’e göre çalışma “güzel bir teknik hüner” sergiliyor ve “deneysel ölçümler etkileyici”. Yine de teorik modeli geliştirmek için daha fazla araştırma yapılması gerektiğini düşünüyor. Ona göre, termomigrasyonun daha iyi bilinmesi, atomları bir yüzey üzerinde hareket ettirmek için ısı gradyanlarını kullanan nanoyapıların üretilmesi için yepyeni yöntemlerle sonuçlanabilir. Pierre-Louis, “Onların makalesi sayesinde artık neyin mümkün olup neyin olmadığını söyleyecek rakamlara sahibiz” diyor.
Kaynak: https://physics.aps.org/
