液态金硅合金表面呈现类似固态晶体结构

  博士后研究人员欧莱葛•夏彼尔克领导的研究小组发现，纳米工艺中使用的一种物质表面含有异常的组织结构。美国能源部阿尔贡纳米材料中心的这项研究结果已公表在《科学》杂志中。 
  这种被讨论的物质是一种金－硅共晶合金，由82％的金和18％的硅所组成。共晶是在低于任一种组成物金属熔点的温度下所有成分的融合。在大多数例子中，共晶合金中组成物金属的熔点与它在纯金属状态下的熔点相差100℃；金－硅共晶合金在360℃（华氏680度）时即开始溶化，这个温度比组成物金属的熔点低了大约1000℃。 
  但这并不是金－硅共晶合金唯一一个与众不同的特性。一般固态晶体中，原子的排列都是按照周期有序的方式，而在液态中，原子的排列则变得混乱。所以，十年来人们一直认为很多液态金属的表面都会呈现二到三个清晰的原子层，并且通常这些原子层中没有结晶态存在。然而，夏彼尔克和他的同事们却发现在液态金－硅共晶合金的表面存在七到八个原子层。为了弄清这个意外的事件，他们同时也在其表面原子层中找到了与通常只出现在固态物质中的组织相类似的结晶态结构。 
  理解这种异常单分子表面凝固层的特性对于正在成长中的以十亿分之一米为基本单位的纳米科技有着非常重要的意义。 
  “当你将一个物体或设备的尺寸减小到一纳米时，事实上所有的一切就只是表面与内表面，” 夏彼尔克说。“我们需要了解在物理学和化学领域调控这些表面结构的新定律是什么。” 
  而对金和硅金属的理解则显得尤为重要，因为它们广泛应用于计算机技术中。金这种抗氧化“惰性”金属便于成型制造计算机互联芯片，而硅则是大部分半导体设备的主要组成金属。 
  夏彼尔克说：“你可以想象一下，金和硅金属的结合几乎出现在每一个电子设备中。” 
  夏彼尔克在哈佛大学的博士生阶段开始这项研究并最终在阿尔贡纳米材料中心完成该研究。他利用阿尔贡中西半球最强的X射线高级光子源，对材料进行了几项测定：X射线镜面反射率，用来提供垂直于表面的金属结构信息；X射线临界衍射，用来提供平面结构的内部信息；X漫散射，用来提供表面波动及其它动力学信息；而X射线晶体端面标尺，则是用来测量表层结晶结构的厚度。