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科学家首次直接在大块材料内观察到原子扩散

  美国能源部田纳西州橡树岭国家实验室的研究人员,第一次直接在大块材料的内部观察到原子的扩散现象。这项研究可被用来对新材料的有效期和特性等,进行史无前例的洞察研究,相关成果发布在最新的《物理评论快报》杂志上。

  “这是首次直接观察到单个掺杂剂原子在材料内部四处游移。”范德比特大学的罗宾·米什拉说,他目前在橡树岭国家研究室材料科技分部做访问学者。传统意义上,通过非肉眼观测或理论计算等方式,可以对原子扩散现象进行研究,而单原子扩散显现在材料的表面也被直接观察到过。但直接观察到内部原子的运动尚属首次。

  组成现代电子器件的最基本物质是半导体,它通常需要掺杂一些其他原子,从而改变特性以适应特殊需求。对掺杂的原子以及它们在一块基质晶格中移动或扩散的研究,成为材料科学中一个重要的基础性课题。

  据物理学家组织网10月14日(北京时间)报道,“扩散现象掌控着掺杂剂如何进入到材料中,以及掺杂剂如何运动。”论文另一作者安德鲁·鲁皮尼说,“选择何种掺杂剂来保证器件持续更长寿命?我们这项研究能帮助做出战略性的决定。”新研究可以直接应用在基础材料的设计上,诸如在节能LED光源技术中,掺杂剂的使用可以影响颜色,而原子运动可能决定失效模式。

  此外,这次实验还令人吃惊地用理论计算方法预测出,氮化铝中掺杂的铈原子,比掺杂的锰原子运动要快。令人吃惊之处在于,铈原子比锰原子要大一些。“大的、更重一些的原子运动速度快于小的、更轻的原子,这太反常了。”鲁皮尼说。

  事实正是如此。研究人员用一台扫描投射电子显微镜观察作为掺杂剂的铈原子和锰原子的扩散过程。捕获的图像显示,大一些的铈原子稳定地扩散到材料中,而更小的锰原子仍然胶着在原地。(来源:科技日报 记者 房琳琳)

  少量杂质掺进另一种材料,就像一条泥鳅掉进池塘,你知道它在那儿,但不知道它在哪儿。美国科学家想出的办法,让目标原子能留在视野内,就像安装了发射器的大象,在非洲草原上怎么也跑不丢。自从列文虎克以来,显微技术一直在加速进步;近二十年,新仪器更是喷涌而出。一周前诺贝尔化学奖就颁给了超限显微技术。微观世界的丝毫异动,今后更难逃人类的炯炯神目。