Bij germaniumkristal in glas liggen smelt- en vriespunt 400 K uit elkaar

Nanokristallen van germanium, die zijn opgesloten in een matrix van glas (siliciumoxide) smelten pas als de temperatuur bijna 200 K boven het ormale smeltpunt van germanium ligt. En de 2,5 nanometer grote kristallen vormen zich pas weer wanneer de temperatuur ruim 200 K beneden dat normale smeltpunt is gedaald. Dat schrijven onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory deze week in Physical Review Letters.

Een dermate brede en vrijwel volmaakt symmetrische hystereselus is bij nanokristallen nooit eerder waargenomen.

Dat nanokristallen van metalen of halfgeleiders soms meer dan 300 K lagere smeltpunten vertonen dan grotere massa’s van hetzelfde materiaal, was al langer bekend. Het zit hem in het feit dat bij zo’n klein kristal een relatief groot percentage van de atomen aan de oppervlakte zit. Die worden niet door het kristalrooster op hun plek gehouden en komen bij een vrij lage temperatuur al los. Met als gevolg dat de volgende laag aan de oppervlakte komt te liggen.

Wanneer het nanokristal in een kristalstructuur van een ander materiaal wordt ingebed, gaat het smeltpunt juist omhoog. Nu worden de atomen aan het oppervlak immers tussen de twee kristalroosters vastgeklemd.

Glas is echter niet kristallijn, maar amorf. De onderzoekers hadden min of meer verwacht dat een germaniumkristal in silica ‘gewoon’ bij een lagere temperatuur zou smelten. De meetresultaten kwamen dan ook als een verrassing.

Achteraf hebben de onderzoekers echter ontdekt dat ze het gedrag van de kristallen vrij simpel kunnen verklaren met de klassieke, vijftig jaar oude nucleatietheorie van Turnbull. De kern van de redenering is dat een germaniumkristal in glas bij temperatuurverhoging niet vanzelf begint te smelten: de atomen aan het oppervlak kunnen immers niet gemakkelijk weg. Er moet zich eerst een vloeibare kiem (nucleus) vormen van waaruit het smeltproces verder kan gaan, net zoals het uitkristalliseren met een vaste kiem begint.

De temperaturen waarbij die kiemen zich kunnen vormen, zijn theoretisch te berekenen.Ze blijken dan aardig met de praktijk overeen te komen.

bron: persbericht Lawrence Berkeley Lab