Khám phá bí mật hình thành những màng phẳng cực mỏng

Tuy nhiên, giờ thì Itai Cohan và các đồng sự tại trường đại học Cornell ở Mĩ vừa thu được kiến thức quan trọng về sự mọc ghép bởi việc chế tạo những lớp kết tinh gồm các hạt “keo”, chúng to hơn nguyên tử và chuyển động chậm hơn nhiều. Họ tiến hành công việc này bằng cách gắn một lớp gói chặt gồm những quả cầu plastic đường kính 1 µm lên trên một chất nền phẳng, sau đó dìm vào một dung dịch gồm những quả cầu ấy. Những quả cầu này tự do chìm lắng lên trên bề mặt kết tinh, nơi đó chúng từ từ hình thành nên một lớp mỏng.

Để mô phỏng tương tác hút làm cho các nguyên tử kết tinh thành lớp, đội nghiên cứu đã thêm những chuỗi polymer nhỏ hơn vào hỗn hợp, chúng cuộn lại thành những quả cầu với đường kính chừng 100 nm. Cả quả cầu polymer và quả cầu plastic nhỏ hơn đều bị xô đẩy tới lui do những thăng giáng nhiệt ngẫu nhiên trong nước (chuyển động Brown). Nhưng khi hai loại quả cầu đến gần nhau trong cự li 100 nm, các chuỗi polymer không còn lắp khít giữa chúng nữa. Vì không còn chuỗi polymer giữa các quả cầu để đẩy chúng ra xa, nên các quả cầu bắt đầu đến gần nhau – một sự mất cân bằng trông tương tự như lực hút tầm ngắn.

Các quả cầu đang chuyển động

Đội nghiên cứu đã chụp một loạt ảnh hiển vi quang của bề mặt trong vài ngày, kết hợp chúng thành một bộ “phim” thể hiện cách thức những quả cầu plastic di chuyển (xem bên dưới). Dữ liệu cho biết khi từng quả cầu đáp lên trên bề mặt, chúng chuyển động ra xung quanh một cách ngẫu nhiên. Nhưng nếu các quả cầu quá gần nhau, chúng có thể kết lại hình thành nên một “hòn đảo” kết tinh có thể lớn lên bằng cách hút thêm những quả cầu khác.

Trong một thế giới lí tưởng, những hòn đảo này sẽ lớn lên, bao phủ toàn bộ chất nền, trong khi vẫn duy trì bề dày chỉ một quả cầu. Tuy nhiên, trong thực tế, các quả cầu có xu hướng đáp lên trên một hòn đảo có sẵn – và nếu những quả cầu này không thể di chuyển ra ngoài rìa của đảo và đi lên chất nền, thì hòn đảo sẽ chuyển thành mấp mô. Việc tìm hiểu và điều khiển những quá trình gây ra những “hàng rào xếp bậc” như thế là quan trọng đối với việc phát triển các kĩ thuật chế tạo các màng mỏng hoàn toàn phẳng.

Khi tương tác giữa các nguyên tử có thể mở rộng ra vài lần bán kính nguyên tử, thì các nguyên tử ở rìa của mô gò đi đến chịu một tổng hợp lực hút hướng vào giữ chúng trên hòn đảo. Tuy nhiên, liên kết giữa các quả cầu plastic trong hệ mô hình của đội Cornell ngắn hơn nhiều (so với bán kính các quả cầu) và các nhà vật lí không trông đợi nhìn thấy một hàng rào như thế. Nhưng họ lại thấy, nó đã truyền cảm hứng cho họ nghiên cứu hàng rào, sử dụng nhíp quang học để đặt một quả cầu gần rìa bậc thang và quan sát cái xảy ra sau đó.

Đội Cornell nhận thấy một quả cầu đi qua một rìa bậc thang đến nút mạng gần nhất phải di chuyển xa hơn ba lần so với một quả cầu di chuyển đến một nút mạng lân cận theo bất kì hướng nào khác. Vì chuyển động của các quả cầu được mô tả bằng sự di chuyển ngẫu nhiên, nên việc đi qua một rìa bậc thang có thể mất thời gian lâu hơn chín lần so với di chuyển theo hướng khác – nghĩa là một quả cầu có khả năng ở lại trên hòn đảo hơn là đi ra khỏi đảo.

Giản đồ các nguyên tử khuếch tán bên trên và ở gần một hòn đảo tinh thể. Các hạt màu xanh lá đang tiếp xúc với phần rìa hoặc góc, nơi chúng bị cản trở. Hạt màu cam gặp hàng rào cản nhỏ hơn vì nó di chuyển từ nút mạng sang nút mạng. 1 là kí hiệu một liên kết bị phá vỡ. 2 là kí hiệu một liên kết đang hình thành. Ở gần rìa hoặc góc, các nguyên tử không có nguyên tử láng giềng mới để hình thành liên kết, đó là cái tạo ra rào cản. Ảnh: Nhóm Itai Cohen.

Cohen phát biểu với physicsworld.com rằng những hiệu ứng liên quan đến sự khuếch tán như thế, theo ông hiểu, chưa từng được xem xét trong các mô hình mọc ghép nguyên tử, nhưng chúng có thể có liên quan, bởi vì các nguyên tử bị xô đẩy qua kauh trên một chất nền bởi các dao động mạng. Kết quả là các nguyên tử có thể gặp “nạn kép” khi nó đi vào những tiến trình hoạt động chống lại sự hình thành của những màng mỏng hoàn toàn phẳng.

Sự di chuyển ngẫu nhiên

Trên một quan điểm tích cực hơn, Cohen nói rằng các màng mỏng gồm các quả cầu và nguyên tử có thể dát phẳng ra bằng cách chuyển dịch trên hướng khuếch tán. Trong trường hợp các quả cầu, điều này có thể thực hiện đơn giản bằng cách tăng sự không khớp mật độ giữa các hạt và chất lỏng, và để cho trọng lực làm nhiệm vụ của nó. Có thể làm tương tự đối với các nguyên tử bằng cách thiết đặt các điện trường.

Một hiện tượng khác có thể nghiên cứu bằng các quả cầu là sự tái cấu trúc bề mặt – một sự biến dạng mạng tinh thể thường xảy ra khi màng mỏng và chất nền là những chất khác nhau. Hiện tượng này có thể mô phỏng bằng cách sử dụng hai loại quả cầu kích thước khác nhau cho chất nền và màng – thứ mà đội hiện đang nghiên cứu.

Cohen còn nêu rằng những tinh thể cấu tạo gồm những quả cầu kích cỡ micron thật hết sức hấp dẫn. Thật vậy, chúng có thể cấu tạo với những hằng số mạng ngang cỡ với bước sóng quang học. Điều này có nghĩa là có thể sử dụng chúng làm các tinh thể quang lượng tử trong những dụng cụ truyền thông quang học.

Công trình được báo cáo trên tờ Science 327 445 .

Sử dụng một dung dịch gồm những quả cầu plastic nhỏ xíu, nhỏ hơn 50 lần so với sợi tóc người, các nhà khoa học tại trường đại học Cornell đã phát hiện ra những màng kết tinh mỏng, phẳng cần thiết cho sản xuất các chất bán dẫn có thể lớn lên êm ái hơn bằng cách thao thác chuyển động lắc lư ngẫu nhiên của các hạt nguyên tử ảnh hưởng đến cách thức tinh thể lớn lên. Các nhà nghiên cứu đã tái dựng những điều kiện dẫn đến sự kết tinh ở quy mô nguyên tử bằng cách sử dụng các hạt to hơn nhiều so với nguyên tử, nhưng vẫn đủ nhỏ để chúng hành xử giống như nguyên tử, để quan sát cách thức các hạt kết tinh. Ngoài ra, với những chùm laser đặc biệt gọi là “nhíp quang học”, các nhà nghiên cứu đã đặt một hạt (nguyên tử) lên trên một hòn đảo tinh thể đang lớn và xác định xem các hạt nhảy ra khỏi đảo một cách dễ hay khó. Họ nhận thấy chuyển động nhanh ngẫu nhiên của một hạt là yếu tố quan trọng xác định nó ở trên hòn đảo bao lâu. Khi các hạt có thể nhảy ra khỏi đảo dễ dàng hơn, thì những tinh thể phẳng có thể mọc lên. Ở đây, một tinh thể chất keo đóng băng trên một kiểu mạng vuông. Video được tăng tốc độ lên khoảng 20 lần. Video: John Savage, Rajesh Ganapathy, và Itai Cohen.