Pierwszy na świecie system do pomiaru siły potrzebnej rozdzielania kryształu

Struktura krystaliczna

Osiemdziesiąt lat po teoretycznym przewidywaniu siły potrzebnej do przezwyciężenia wiązania van der Waalsa między warstwami w krysztale, inżynierowie z Uniwersytetu Tohoku dokonali bezpośredniego pomiaru. Zespół stworzył także bardziej trwałe kryształy selenku galu. Osiągnięcie to może przyspieszyć rozwój technologii terahercowych i spintronicznych, wykorzystywanych w szeregu zastosowań, od obrazowania medycznego do komputerów kwantowych.

"To pierwszy raz, kiedy ktokolwiek zmierzył bezpośrednio siłę wiązania van der Waalsa w warstwach kryształu" - powiedział Tadao Tanabe, jeden z autorów. "Nawet licealiści wiedzą o niej, ale w kryształach bardzo trudno było ją do tej pory zmierzyć".

Choć uważane za obiecujące dla wielu technologii, użycie kryształów selenku galu jest utrudnione przez fakt, że są one często kruche. Aby je wzmocnić, zespół Tanabe, w tym kolega z Wydziału Inżynierii Materiałowej Yutaka Oyama, wyobraził sobie rosnące kryształy z niewielką ilością selenu zastąpionego przez rzadki tellur.

Naukowcy przypuszczali, że większa elektronowa chmura tego pierwiastka wytworzy większe siły van der Waalsa pomiędzy warstwami kryształu, wzmacniając ogólną strukturę. Są to słabe siły elektryczne, które przyciągają atomy do siebie poprzez subtelne przesunięcia w konfiguracjach elektronowych.

Zespół wyhodował i porównał trzy różne rodzaje kryształów: jeden czysty selenek galu, jeden z 0,6 % telluru i jeden z 10,6 % telluru. Aby sprawdzić wpływ na niego w wiązaniu międzywarstwowym, zespół wynalazł system, który jest w stanie zmierzyć z najdrobniejszymi szczegółami wytrzymałość na rozciąganie, siłę potrzebną do pociągnięcia kryształu, aż do jego pęknięcia.

"System testów na rozciąganie jest pod pewnymi względami bardzo prosty" - powiedział Tanabe. "Ale bardzo trudno było opracować sposób na określenie dokładnego punktu, w którym kryształ się rozpadł."

Testowane kryształy miały około 3 mm szerokości i tylko 0,2 mm grubości, czyli około połowy grubości standardowego papieru do drukarki. Każdy kryształ składa się z setek pojedynczych warstw. Zespół użył specjalnej taśmy dwustronnej po obu stronach kryształu, aby utrzymać go pomiędzy zakotwiczonym stopniem a ruchomym, który można było powoli odciągnąć z prędkością 50 milionowych metra na sekundę. "To umożliwiło nam bardzo precyzyjne zmierzenie siły międzywarstwowej, przy której pękł kryształ" - powiedział Tanabe.

Naukowcy odkryli, że wiązanie między warstwami van der Waalsa w kryształach domieszkowanych tellurem było siedmiokrotnie silniejsze niż w przypadku czystych selenków galu. Z dodatkiem telluru, miękki i rozszczepialny kryształ selenku galu staje się sztywny dzięki wzmocnieniu siły wiązania van der Waalsa, podają autorzy raportu, torując drogę do wykorzystania tego systemu do ulepszenia technologii opartych na kryształach.

(KB)