Szokatlan nanodiffúzió Debrecenben

Nagyrészt magyar fizikusok kutatási eredményeit összegző cikket közölt decemberben a világ egyik legismertebb tudományos folyóirata, a Science. Az elsősorban a debreceni egyetemen zajló kutatások az ún. multiréteggekkel, ezen belül pedig a nanodiffúzióval kapcsolatosak. A kutatások arra az eredményre jutottak, hogy a makroszinten tapasztalt anyagkeveredési folyamatok nem mindig azonosak a nanotartományban, tehát az atomi szinten tapasztalható diffúziós jelenségekkel. 

A Debreceni Tudományegyetem Szilárdtestfizika Tanszék kutatásai nagyrészt diffúziós nanotechnológiával kapcsolatosak. A fizikatudománynak ezen szegmensével, mely a technológiai fejlesztések során mind fontosabbá válik, a világban egyre többen foglalkoznak. A tanszéken végzett nanodiffúziós vizsgálatok ún. multirétegekkel (multilayer) foglalkoznak. Ezek olyan mesterségesen előállított anyagok, melyeknél két különböző anyagot rétegeznek egymásra. (A rétegek nanométeres tartományba esnek, ami azt jelenti, hogy mindössze 10-20 atomsorból állnak.) Az anyagok között létrejövő határfelületen keresztül a két anyag teljesen összekeveredik, amennyiben az alkotóelemek egymást korlátlanul oldják, vagyis a két anyag bármilyen mennyiségben képes elkeveredni egymással.

A multirétegek minőségét nagyban befolyásolja, hogy a különböző anyagok egymásra építése után mennyire különülnek el egymástól kémiailag az egyes anyagrétegek, azaz mennyire éles a határfelület. A debreceni kutatók azzal foglalkoznak -e témában íródott a decemberi Science-ben megjelent tanulmány is -,miként lehet az anyagrétegek közötti határfelületeteket élesebbé tenni, ezáltal javítani az anyag minőségét. Az anyagrétegek hibás felhordása - túl azon, hogy a felhasználhatóságon ronthat - akár teljesen használhatatlanná teheti az eszközt. Lényeges kérdés tehát, hogy az anyag határfelülete hogyan jön létre.

Beke Dezső a Debreceni Egyetem Szilárdtest Fizika Tanszékének vezetője valamint Erdélyi Zoltán (DE-SZFT). Akik részt vettek a kutatásban, de a képről hiányoznak: Langer Gábor (DE-SZFT), valamint Kis-Varga Miklós (MTA, Atommagkutató Intézete, Debrecen)

A nanodiffúziós folyamatoknál már régóta tapasztaltak furcsa jelenségeket. Debrecenben körülbelül nyolc éve készítettek arra utaló modellszámításokat, hogy a klasszikus diffúziós törvények esetenként atomi-, nanoszinten "sántítanak". A makroszinten tapasztalt keveredések alapján eddig általánosan elfogadott szemlélet volt, hogy a keveredés minden esetben úgy megy végbe, hogy a két anyag atomjai a határfelületen átlépve a másik anyagba vándorolnak. Ez a folyamat a határfelületnél egy kevert zóna kialakulásához vezet, mely addig növekszik, míg végül az összes anyag össze nem keveredik. A folyamat közben a határfelület élessége fokozatosan csökken. Csakhogy Debrecenben arra jöttek rá, hogy nanoszinten fontos befolyásoló tényező, hogy a két anyagban milyen erősek az atomok közötti kötések. Megállapították, hogy azokban az esetekben, amikor az atomi kötések erősségét tekintve nagy különbség van a két anyag között (a diffúziós együtthatójuk nagyon különbözik, mert az egyikben sokkal könnyebb az atomoknak vándorolni, mint a másikban), akkor nem a határfelület terjed ki egy X és Y atomokból álló keverékké, hanem a határfelület - megtartva élességét - vándorol az erősebb kötésű anyag felé. Ez nem azt jelenti, hogy a két anyag végül nem diffundál össze, mert a folyamat végeredménye itt is a teljes keveredés, csupán a folyamat nem úgy történik, ahogy eddig feltételezték. A felfedezés legnagyobb jelentősége, hogy a keveredési sebesség meghatározásánál az eddig nem nagyon vizsgált diffúziós aszimmetria szerepét hangsúlyozza, tehát a két anyag atomkötéseinek erőssége közti differenciát helyezi középpontba.

Felhasználás: A multiréteges anyagok speciális tulajdonságait az ipar és a tudomány is kiaknázza. Ilyen anyagokat használnak például egyes szenzoroknál és a röntgensugárzás irányítására használt röntgentükröknél is. A röntgentükrök esetében a multiréteg minősége a rétegek közötti határfelület élességétől függ. Az élesebb határfelületek miatt sikeresebben és pontosabban lehet irányban tartani a röntgensugárzást, aminek jelentősége óriási. Ugyanakkor multiréteges anyagok vannak a legmodernebb számítógépekban használt winchesterek leolvasófejeiben is. Az ilyen leolvasók a hagyományos mágneses fejekkel szemben sokkal hatékonyabban és pontosabban olvassák az adatokat, aminek következtében több információt fel lehet hordani a lemezre, így ugyanannyi energiával lényegesen több adatot lehet feldolgozni. Szintén fontos, hogy a félvezetői technológia, például az egyre apróbb integrált áramköröket tartalmazó chipek fejlesztése is a nanotartomány felé közelít. Nem meglepő, hogy erről a területről is komolyan érdeklődnek az eredmények iránt.