Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Teoria ujawnia naturę niedoskonałości kryształów (węglika krzemu)

Recommended Posts

Defekty w kryształach, zwłaszcza dyslokacje krawędziowe o charakterze długich uskoków, wpływają na strukturę całego materiału i modyfikują jego podstawowe właściwości, redukując możliwości zastosowań. Fizycy z Krakowa i Warszawy pokazali na przykładzie kryształu węglika krzemu, że nawet tak wymagające obliczeniowo defekty można z powodzeniem badać z dokładnością atomową za pomocą umiejętnie skonstruowanego modelu.

Matematyka kocha perfekcję. Niestety, perfekcja nie kocha fizycznej rzeczywistości. Teoretycy zajmujący się modelowaniem kryształów od dawna próbowali uwzględniać defekty występujące w prawdziwych strukturach krystalicznych i przewidywać ich wpływ na właściwości fizyczne materiałów. Modele, bazujące na wynikach różnych eksperymentów, opisywały zmiany podstawowych własności materiału bez wyjaśniania rzeczywistych przyczyn i skutków zaistniałych zjawisk. Dopiero nowy model węglika krzemu (SiC), zbudowany przez fizyków z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie, pozwolił zademonstrować, że już dziś można "z pierwszych zasad" modelować kryształy nawet z tak złożonymi defektami jak dyslokacje krawędziowe i wyjaśniać ich cechy procesami zachodzącymi w skali atomowej. Spektakularny rezultat, omawiany podczas niedawnej konferencji Multis 2019 w Krakowie i opublikowany w czasopiśmie Journal of Materials Science, krakowscy fizycy osiągnęli we współpracy z ulokowanymi w Warszawie Instytutem Podstawowych Problemów Techniki PAN i Instytutem Wysokich Ciśnień PAN.

Staraliśmy się poznać na poziomie atomowym mechanizmy odpowiedzialne za obniżanie się prądu przebicia w kryształach węglika krzemu. Nasze obliczenia, wywodzące się z "pierwszych zasad", prowadzą ku jakościowemu zrozumieniu problemu i przyczyniają się do wyjaśnienia szczegółów tego zjawiska - mówi dr hab. Jan Łażewski, prof. IFJ PAN.

Obliczenia "z pierwszych zasad" mają długą historię związaną z Nagrodą Nobla dla Waltera Kohna i Johna Pople'a w 1998 roku (do symulacji defektów w kryształach wprowadzono je jednak niedawno). Pojęciem tym określa się obliczenia przeprowadzane z użyciem równań mechaniki kwantowej, wsparte jedynie wiedzą o budowie atomu i symetrii kryształów. W podejściu tym nie ma żadnych bezpośrednich informacji z eksperymentów, co oznacza, że z jego pomocą można analizować również takie materiały, których jeszcze nikt nigdy nie badał, a nawet nie zsyntetyzował. Ze względu na dużą komplikację zagadnienia, do tej pory obliczenia z pierwszych zasad stosowano jedynie do zaburzeń punktowych, związanych z wakansami (brakami atomów, czyli dziurami w strukturze krystalicznej) lub domieszkami wprowadzanymi do kryształu.

Krakowscy badacze nie bez przyczyny zajęli się węglikiem krzemu. Właściwości tego półprzewodnika są tak interesujące, że kiedyś uważano go nawet za następcę krzemu. Jego przerwa energetyczna (bariera, którą musi pokonać ładunek żeby przedostać się z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa i brać udział w przewodzeniu prądu) jest niemal trzykrotnie większa niż w krzemie, dopuszczalna gęstość prądu przewodzenia – dwukrotnie, zdolność do odprowadzania ciepła – ponadtrzykrotnie, a graniczna częstotliwość pracy kryształu – aż sześciokrotnie. Mało tego, układy wykonane z węglika krzemu mogą pracować w temperaturach do 650 stopni Celsjusza, podczas gdy układy krzemowe zaczynają mieć problemy już przy 120 stopniach. SiC ma także wysoką temperaturę topnienia, jest twardy, odporny na kwasy i promieniowanie. Do jego wad należy przede wszystkim cena: o ile dwucalowe płytki krzemowe kosztują zaledwie kilka dolarów, wartość podobnych płytek z węglika krzemu trzeba liczyć w tysiącach. Kryształy węglika krzemu o niskiej jakości to popularny materiał ścierny, stosowany również w kamizelkach kuloodpornych i w tarczach hamulcowych najdroższych samochodów świata, takich jak Lamborghini czy Bugatti. Wysokiej jakości kryształy służą do wyrobu zwierciadeł teleskopów i elementów wysokonapięciowych urządzeń o dużej odporności na temperaturę.

Na poziomie atomowym kryształy węglika krzemu są zbudowane z wielu ułożonych jedna na drugiej płaskich warstw. Każda warstwa przypomina plaster miodu: składa się z sześciokątnych komórek, w których narożnikach są ulokowane pionowo cząsteczki węglika krzemu. Każde dwie sąsiednie warstwy można połączyć na trzy sposoby. Wielowarstwowe "kanapki" o różnych wzajemnych ułożeniach tworzą tzw. modyfikacje politypowe, których w przypadku węglika krzemu jest ponad 250. Grupa z IFJ PAN zajmowała się politypem oznaczonym jako 4H-SiC.

Przy modelowaniu tego typu struktur jednym z podstawowych problemów jest złożoność obliczeniowa. Model kryształu czystego, pozbawionego domieszek czy dyslokacji, charakteryzuje się dużą symetrią i można go przeliczyć nawet w kilka minut. Żeby zrobić rachunek dla materiału z dyslokacją, potrzebujemy już całych miesięcy pracy komputera o dużej mocy obliczeniowej - podkreśla dr hab. Paweł Jochym, prof. IFJ PAN.

Kłopoty z dyslokacjami krawędziowymi wynikają ze skali ich wpływu na strukturę krystaliczną materiału. Obrazowo można je porównać do problemów z zamaskowaniem braku części jednego rzędu płytek w posadzce. Wyrwę można "zabliźnić", przesuwając płytki sąsiadujących rzędów, ale defekt pozostanie zawsze widoczny. Dyslokacje krawędziowe, wynikające z braku całych ciągów lub połaci atomów/cząsteczek w poszczególnych warstwach kryształu, działają podobnie, wpływając na położenia atomów i cząsteczek w wielu sąsiednich warstwach. A ponieważ dyslokacje mogą się rozciągać na znaczne odległości, w praktyce wywołane nimi zaburzenia obejmują cały kryształ.

Najciekawsze zjawiska zachodzą w rdzeniu dyslokacji, a więc w bezpośrednim sąsiedztwie krawędzi uszkodzonej warstwy sieci krystalicznej. Aby wyeliminować dalekozasięgowe efekty, wywołane pojedynczą dyslokacją, a tym samym znacznie ograniczyć liczbę rozważanych atomów, zastosowano trik: wprowadzono drugą dyslokację, o przeciwnym działaniu. W ten sposób skompensowano oddziaływanie pierwszej dyslokacji na większych odległościach.

Model kryształu SiC składał się z około 400 atomów. Przeprowadzone symulacje wykazały, że w warstwach kryształów, wzdłuż krawędzi rdzenia defektu, pojawiają się "tunele" w formie kanałów o zmniejszonej gęstości ładunku. Obniżają one lokalnie barierę potencjału i powodują, że ładunki elektryczne mogą "wyciekać" z pasma walencyjnego. Dodatkowo w przerwie wzbronionej, która w izolatorze gwarantuje brak przewodzenia prądu elektrycznego, pojawiają się stany redukujące jej szerokość i skuteczność w ograniczaniu przepływu ładunku. Wykazano, że stany te pochodzą od atomów ulokowanych w rdzeniu dyslokacji.

Sytuację można porównać do głębokiego, stromego wąwozu, który próbuje pokonać wiewiórka. Jeśli dno wąwozu jest puste, wiewiórka nie przedostanie się na drugą stronę. Jeśli jednak na dnie rośnie pewna liczba odpowiednio wysokich drzew, wiewiórka może po ich wierzchołkach przeskoczyć na drugą stronę wąwozu. W modelowanym przez nas krysztale wiewiórką są ładunki elektryczne, pasmo walencyjne to jedna krawędź wąwozu, pasmo przewodnictwa – druga, a drzewami są wspomniane stany związane z atomami rdzenia dyslokacji - mówi prof. Łażewski.

Teraz, gdy mechanizmy odpowiedzialne za obniżanie progu bariery energetycznej stały się znane na poziomie atomowym, pojawiło się ogromne pole do popisu dla eksperymentatorów. Zaproponowany mechanizm trzeba będzie zweryfikować, by później móc go użyć do ograniczenia negatywnego wpływu badanych defektów. Na szczęście istnieją już odpowiednie ku temu możliwości techniczne.

Przyszłość zweryfikuje, czy nasze pomysły zostaną potwierdzone w całości. Jesteśmy jednak spokojni o losy naszego modelu i zaprezentowanego podejścia do symulowania dyslokacji krawędziowych. Już teraz wiemy, że model "z pierwszych zasad" sprawdził się w konfrontacji z niektórymi danymi eksperymentalnymi - podsumowuje prof. Jochym.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Join the conversation

You can post now and register later. If you have an account, sign in now to post with your account.
Note: Your post will require moderator approval before it will be visible.

Guest
Reply to this topic...

×   Pasted as rich text.   Paste as plain text instead

  Only 75 emoji are allowed.

×   Your link has been automatically embedded.   Display as a link instead

×   Your previous content has been restored.   Clear editor

×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.

Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Tripedalia cystophora należą do gromady kostkowców, które z wyglądu bardzo przypominają krążkopławy. Zazwyczaj zamieszkują namorzyny, gdzie obficie występują krewetki, a liczne oczy pomagają im w unikaniu zderzeń z podwodnymi obiektami. Naukowców zaintrygowało jednak, że część z oczu stale spogląda w górę (za ustawienie odpowiadają znajdujące się w strukturach otaczających oczy kryształy gipsu). Okazuje się, że dzięki temu zwierzęta mogą śledzić, co dzieje się nad powierzchnią wody.
      Dan-Eric Nilsson, biolog z Uniwersytetu w Lund, doszedł do tego, przeprowadzając ciekawy eksperyment. Wraz z zespołem umieścił zwierzęta w otwartym akwarium, a następnie opuścił je na dno w lesie namorzynowym w Portoryko. Naukowcy monitorowali T. cystophora za pomocą kamery wideo. Kiedy akwarium znajdowało się blisko drzew, a ich korony były nadal widoczne dokładnie nad nim, kostkowce co chwilę uderzały ciałem w ścianę najbliższą roślinom. Gdy jednak akwarium przesunięto o 12 m od krawędzi lasu i nad powierzchnią wody nie było widać drzew, zwierzęta pływały we wszystkich kierunkach.
      Ponieważ zbiornik uniemożliwiał kontakt ze związkami chemicznymi znajdującymi się w wodzie pływowej, a muł ograniczał widoczność, wg Nilssona kostkowce musiały orientować się w przestrzeni dzięki drzewom.
      To pierwszy taki przypadek, by naziemne wskazówki były wykorzystywane przez kostkowce czy jakiekolwiek inne bezkręgowce do nawigowania [w środowisku wodnym]. Chowanie się pod gałęziami/koroną drzew jest bardzo rozsądne, ponieważ krewetki, na które polują T. cystophora, występują głownie na płyciźnie.
      Szwedzi zrobili zdjęcia tuż przy powierzchni wody i sporządzili na tej podstawie modele, co kostkowce mogą widzieć dzięki skierowanym ku górze oczom. W ten sposób ustalili, że mogą wykryć drzewa zlokalizowane do 8 m od brzegu lasu.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Christopher Rogers z Uniwersytetu w Wolverhampton zaproponował nową metodę określania czasu zgonu (ang. post-mortem interval, PMI). Stwierdził, że chrząstce poświęca się w tym kontekście bardzo mało uwagi, a ma ona duży potencjał. Wg Brytyjczyka, jest szczególnie użyteczna, ponieważ nie zawiera naczyń krwionośnych, dlatego rozkłada się wolniej od innych tkanek. Dodatkowo "otulina" z tkanek miękkich minimalizuje ryzyko zewnętrznego skażenia.
      Chcąc przetestować swoją teorię, Rogers i zespół zakopali zwłoki świń, odtwarzając w ten sposób warunki panujące w płytkich ludzkich grobach. Truchła pozostawiono, by rozkładały się przez różny czas, maksymalnie przez 13 tygodni. Wyniki eksperymentu zostały przedstawione na konferencji Forensic Research and Teaching w Coventry. Ustalono, że rozkład chrząstki zachodzi w ramach kilku dobrze wyodrębnionych etapów. Co najważniejsze, kryształy powstające w niej po 3 tygodniach zanikają po 6.
      Rogers uważa, że kryształy w chrząstce można by wykorzystać do wyznaczania daty zgonu, ale najpierw trzeba jeszcze przeprowadzić badania w różnych warunkach, np. innych rodzajach gleby czy temperaturach.
      Dla odmiany Andrew Chick z Nottingham Trent University sprawdzał, czy palenie tytoniu wpływa na obliczanie PMI. Kryminolodzy często przyglądają się żerującym na ciele owadom, które pojawiają się w przewidywalnej kolejności. Jeśli jednak tytoń zmieniałby zachowanie owadów, wydawana na tej podstawie opinia byłaby również bezużyteczna.
      Ekipa Chicka pozostawiła w lesie 3 padłe świnie. W gardziel dwóch z nich wstrzyknięto nikotynę (u palacza to właśnie tutaj dochodzi do nagromadzenia szkodliwej substancji). Eksperyment będzie prowadzony przez 5 lat, ale pierwsze wyniki uzyskano już teraz. Otóż muchy plujki wyraźnie unikają ciał palaczy, a jeśli już decydują się na złożenie w nich jaj, poprzestają na pojedynczych sztukach, nie tworząc charakterystycznych skupisk. Kiedy wylęgają się czerwie, żerując, skwapliwie omijają nasycone alkaloidem rejony. Podobnie zachowują się chrząszcze. Oznacza, że ciało palacza rozkłada się wolniej.
      Jeśli doniesienia zespołu Chicka się potwierdzą, specjaliści zyskają sposób na odróżnienie zwłok osób palących i niepalących. Brytyjczyk wspomina, że na błędy w ocenie PMI wpływają też narkotyki. Kokaina, na przykład, zwiększa rozmiary larw.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Po co roślinom ukryte kryształy? Występują w wielu rodzinach, ale długo nie można było rozstrzygnąć, czy mają odstraszać roślinożerców, stanowić magazyn wapnia, czy też dodatkowe rusztowanie dla różnych tkanek. By ostatecznie znaleźć odpowiedź na to pytanie, dr Gary Coté badał difenbachie, stanowiące (trującą) ozdobę wielu domów.
      Botanik wybrał do eksperymentu konkretny gatunek Dieffenbachia seguine. W roślinach występują 3 rodzaje kryształów: druzy mineralne, inaczej szczotki (skupiska kryształów wokół nieregularnej, często kanciastokształtnej pustki), rafidy (igły zebrane w pęczki lub szeregi) oraz pryzmaty (jedyńce). Okazało się, że wszystkie one pojawiają się u difenbachii. Coté zauważył, że każda tkanka, a niekiedy nawet różne części tego samego organu mają swoje specyficzne kryształy. Bez względu na kształt, wszystkie zawierają szczawian wapnia, budulec kamieni nerkowych.
      Botanik jest przekonany, że kryształy rzeczywiście mają przede wszystkim odstraszać roślinożerców, ale poszczególne formy pełnią inne funkcje. Druzy szlifują wnętrze jamy ustnej, dając wrażenie żucia piasku. Rafidy występują najczęściej w chętnie skubanych liściach. Po ugryzieniu zostają wyduszone z tkanki, przekształcając się w kłujące delikatny język igły. Dla odmiany wiązki rafidów z łodygi stanowią rodzaj rusztowania, a pryzmaty spotykane wyłącznie w pyłku odpowiadają zapewne za jego rozpraszanie bądź kiełkowanie.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      W czułkach brazylijskich mrówek polujących na termity wykryto miniaturowe magnesy, które pozwalają im nawigować jak ptakom, żółwiom morskim czy pstrągom. To dlatego owady te sprawiają wrażenie, jakby zawsze wiedziały, gdzie zmierzają i gdzie się aktualnie znajdują.
      Naukowcy z Brazylijskiego Centrum Badań Fizycznych w Rio de Janeiro badali różne części ciała schwytanych robotnic pod mikroskopem optycznym i elektronowym. W czułkach zwierząt wyryli duże ilości kryształów tlenków żelaza.
      Mrówki, które badaliśmy, żyją na glebach obfitujących w rozdrobnione minerały żelaza, tak więc materiału budulcowego mają pod dostatkiem. Wykorzystanie minerałów rozpoczyna się, kiedy tylko owady wchodzą w kontakt z ziemią – opowiada Jandira Ferreira de Oliveira. W czułkach mrówek znaleziono magnetyt, maghemit, getyt i krzemian glinu. Wszystkie wymienione związki tworzą coś w rodzaju igły kompasu.
      Na potrzeby badań zespół Oliveiry zbierał w Sao Paulo okazy mrówek z gatunku Pachycondyla marginata. Trasy ich migracji są zwykle odchylone o 13 stopni od osi geomagnetycznej Ziemi, a najsilniejszy sygnał wydobywa się z czułków. Substancje magnetyczne są w nich ulokowane w pobliżu narządu Johnstona. Znajduje się on w drugim członie czułków i niewykluczone, że również wchodzi w skład układu nawigacyjnego mrówek.
      Nie wszystkie mrówki znajdują drogę do gniazda w ten sam sposób. Te zamieszkujące pustynie wykształciły np. oczy wykrywające polaryzację światła.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Skąd bierze się metaliczny połysk skóry ryb? Wg najnowszych izraelskich badań, powstaje dzięki złożonemu systemowi kryształów, który wspomaga proces odbijania światła. W naturze ułatwia to ukrywanie się przed drapieżnikami, gdy zwierzę płynie blisko powierzchni wody (Crystal Growth & Design).
      Lia Addadi i zespół z Instytutu Nauki Weizmanna w Rehovot podkreślają, że od lat ichtiolodzy wiedzą, że kryształy guaniny odpowiadają za stopień, w jakim ryby potrafią wytworzyć lustrzany poblask. Zagadką pozostawał natomiast ich kształt i mechanizm działania. Aby to zbadać, Izraelczycy wyekstrahowali kryształy ze skóry japońskiego karpia koi i porównali je z kryształami wyhodowanymi w laboratorium.
      Obejrzano je dokładnie pod mikroskopem elektronowym, zbadano też odbicie promieni rentgenowskich. Okazało się, że kryształy znacznie się od siebie różnią. Te pochodzące od ryb rozwinęły się w nieoczekiwanym dla naukowców kierunku, co sprawiło, że odbijają więcej światła. Strategią ewolucyjną zwierząt było więc uzyskanie jak najwydajniejszych kryształów fotonicznych.
×
×
  • Create New...