Μετανάστευση ατόμων σε νανοσάντουιτς
Η μετανάστευση ουσιών σε πολύπλοκα συστήματα είναι συνήθως αποτέλεσμα της διάχυσης - ένας μηχανισμός στον οποίο τα άτομα ή τα μόρια μεταναστεύουν από την περιοχή υψηλής συγκέντρωσης στην περιοχή χαμηλής συγκέντρωσης, έτσι ώστε στο τέλος η συγκέντρωση αυτών των ατόμων ή μορίων να είναι ομοιόμορφη σε όλη την έκταση. ολόκληρο το μέσο. Τέτοια είναι η περίπτωση π.χ. χυμός και νερό – όταν αναμειγνύονται μαζί και αφήνονται για αρκετό χρονικό διάστημα, ο χυμός πρέπει να κατανέμεται ομοιόμορφα σε ολόκληρο το ποτήρι νερό.
Στη μικρο- και στη νανοκλίμακα, ωστόσο, υπάρχουν και άλλοι μηχανισμοί μετανάστευσης, που συχνά ανταγωνίζονται τη διάχυση, συχνά με διαφορετικό τελικό αποτέλεσμα. Αυτή είναι η περίπτωση των νανοστρώσεων αργύρου και χρυσού, που εναποτίθενται σε εξαιρετικά λεπτές μεμβράνες διαβροχής γερμανίου.
Οι λεπτές μεμβράνες από ασήμι και χρυσό χρησιμοποιούνται ευρέως σε διάφορα είδη οπτικών συσκευών. Η απόδοσή τους εξαρτάται από την τραχύτητα του μεταλλικού στρώματος. Ωστόσο, δεδομένου ότι η πρόσφυση τόσο του αργύρου όσο και του χρυσού στα περισσότερα από τα κοινώς χρησιμοποιούμενα υποστρώματα οξειδίου είναι πολύ χαμηλή, η ανάπτυξη λείων στρωμάτων πλασμονικού μετάλλου με πάχος της τάξης των λίγων δεκάδων νανόμετρων ή λιγότερο είναι μια πρόκληση.
Για τον μετριασμό αυτών των φαινομένων, έχει προταθεί η χρήση ενός εξαιρετικά λεπτού ενδιάμεσου στρώματος γερμανίου μεταξύ του υποστρώματος και του μετάλλου, το οποίο ουσιαστικά λειτουργεί ως κόλλα, σχηματίζοντας έτσι μια δομή σαν σάντουιτς. Ωστόσο, στις πρόσφατες μελέτες μας, που δημοσιεύτηκαν στο Beilstein Journal of Nanotechnology [1] και στο Surface Science [2], δείξαμε ότι το γερμάνιο όχι μόνο μειώνει την τραχύτητα των μεμβρανών αργύρου και χρυσού, αλλά επίσης μεταναστεύει γρήγορα από το κάτω μέρος αυτών των στρωμάτων προς τις επιφάνειές τους σε μια διαδικασία γνωστή ως διαχωρισμός.
Οι νανοστρώσεις από ασήμι και χρυσό παρουσιάζουν κοκκώδη δομή – μπορεί να τις σκεφτείτε ως ένα στρώμα από εξαιρετικά μικρούς κόκκους άμμου, απλώς κατασκευασμένους από μέταλλο και πολύ σφιχτά συσκευασμένους μεταξύ τους. Η χρήση ενδιάμεσου στρώματος γερμανίου μεταξύ του υποστρώματος και του μετάλλου επηρεάζει αυτή την κοκκώδη δομή του μετάλλου. Αντί για ομοιογενή κατανομή μεταλλικών κόκκων σε ολόκληρο το δείγμα, οι κόκκοι που έρχονται σε άμεση επαφή με το στρώμα γερμανίου είναι μεγαλύτεροι και εκείνοι που βρίσκονται πιο μακριά είναι μικρότεροι και επομένως μεγαλύτεροι σε αριθμό. Αυτό σημαίνει ότι όσο πιο μακριά από το ενδιάμεσο στρώμα γερμανίου, υπάρχουν περισσότερα όρια κόκκων (θέσεις όπου δύο ή περισσότεροι διαφορετικοί κόκκοι έρχονται σε επαφή) και περισσότερα κενά ορίων κόκκων, όπου πολλοί μικροί κόκκοι έρχονται σε επαφή μεταξύ τους. Τα άτομα γερμανίου έχουν χαμηλότερη ελεύθερη ενθαλπία όταν κάθονται σε σημείο όπου περισσότεροι κόκκοι έρχονται σε επαφή. Σε ανθρώπινους όρους, τους αρέσει να βρίσκονται σε αυτή τη θέση περισσότερο παρά σε ένα απλό όριο κόκκων μεταξύ δύο κόκκων. Καθώς τα περισσότερα από αυτά τα σημεία βρίσκονται κοντά στην επιφάνεια των μεταλλικών στρωμάτων, εκεί μεταναστεύουν τα άτομα γερμανίου, τόσο στην περίπτωση του αργύρου όσο και του χρυσού.
Μετά από δύο μήνες, η συντριπτική πλειονότητα των ατόμων γερμανίου μπορεί να βρεθεί κοντά στην επιφάνεια και σχεδόν κανένα από αυτά δεν βρίσκεται στη διεπιφάνεια μετάλλου-υποστρώματος όπου αρχικά εναποτέθηκε το στρώμα Ge. Αυτό έχει βαθιές συνέπειες, μια από τις οποίες είναι μια αξιοσημείωτη τροποποίηση των οπτικών παραμέτρων μετάλλων (δείκτης διάθλασης και συντελεστής απόσβεσης), που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά το σχεδιασμό οπτικών συσκευών.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Evidence of germanium segregation in gold thin films, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Surface Science, και το άρθρο με τίτλο Μοντέλο ανάπτυξης και εξέλιξη της δομής των στρωμάτων Ag που έχουν αποτεθεί σε φιλμ Ge, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Beilstein Journal of Nanotechnology. Αυτά τα ευρήματα είναι αποτέλεσμα συνεργασίας ερευνητών από το Πανεπιστήμιο της Βαρσοβίας (Σχολή Φυσικής καθώς και Τμήμα Χημείας) και το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας UTP στο Bydgoszcz (Ινστιτούτο Μαθηματικών και Φυσικής).
