Fysikoverraskelse: Elektrisk spænding opstår spontant i tyndfilm af lattergas

Fysikere ved Aarhus Universitet opdagede ved et lykketræf, at enorme elektriske felter opstår spontant i tyndfilm af særlige materialer. Effekten kan muligvis udnyttes i nye former for sensorer.

Af Jens Ramskov 9. jan 2012 kl. 15.11

Fysikerne ved Aarhus Universitet har opdaget en helt ny klasse af materialer, som spontant bliver polariseret. I tyndfilm af disse materialer kan opstå elektriske feltstyrker på op til flere hundrede megavolt per meter.

Opdagelsen skete ved et tilfælde, og forskerne var så overraskede over deres målinger, at de i første omgang troede, at der var en fejl i deres måleopstilling.

Forskerholdets leder, professor David Field, spekulerer i, at effekten kan bruges i forbindelse med biosensorer og nano-xerografi til trykning af emner i nanostørrelse. Den kan også have betydning for forståelsen af kemiske reaktioner i støvskyer i universet.

Elektroner frigives fra argonatomer, når de beskydes med synktrotronstråling (den sorte pil). De bevæger sig nedad (den blå pil) mod det gule mål, som er en tyndfilm af N2O, der holdes afkølet til temperaturer omkring 30-60 kelvin. Strømmen måles med et femtoammeter, som er vist nederst på tegningen ved venstre kant. Den del af synktrotronstrålingen, der ikke absorberes af argonatomer, opfanges med en fotodiode, der er vist øverst ved venstre kant.(Grafik: Aarhus Universitet)

Opdagelsen blev gjort, da forskerne ville undersøge elektronspredning ved lav energi i en tyndfilm af N2O (lattergas) ved en temperatur på 40 kelvin.

Ved at sende synkrotronstråling inde mod en gas af argonatomer blev frigivet elektroner med en energi på nogle ganske få millielektronvolt. Disse elektroner burde kun lige med nød og næppe nå et mål, som blev holdt på en neutral elektrisk spænding.

Har vi en målefejl?

Med en meget følsom strømmåler, et femtoammeter, kunne forskere dog til deres store overraskelse iagttage, at de også så en elektronstrøm, selv når målet var påtrykt en negativ spænding på op til 2 volt.

Det var så uventet, at forskerne først troede, de havde en fejl i systemet i form af en lækstrøm forårsaget af en uperfekt isolation. Men nærmere undersøgelser og målinger viste, at det ikke var tilfældet.

Så de gik i gang med uddybende studier.

Forskerne undersøgte både N2O-tyndfilm helt ned til omkring 10 molekylelag i tykkelsen og med op til 1.253 monolag med en samlet tykkelse på 0,4 mikrometer.

De fandt en proportionalitet mellem tykkelsen af laget og den spænding, som laget kunne opretholde. Tyndfilmen med 1.253 lag havde en spænding på 38,4 volt. Højere spænding turde man ikke prøve at undersøge, da der var fare for, at det følsomme femtoammeter ville blive ødelagt.

Forskerne fandt også en temperaturafhængighed med størst spænding ved lave temperaturer. Målingerne viste, at det elektriske felt i en N2O-tyndfilm ved 38 kelvin var 1,19 x 10^8 V/m.

Dipolerne orienterer sig ens

N2O er med sin opbygning som N-N-O et asymmetrisk molekyle, og det har derfor en positiv elektriskladet ende og en negativ elektriskladet ende. Molekylet besidder med andre ord et elektrisk dipolmoment.

Hypotesen er, at molekylerne i tyndfilmens på hinandens følgende monolag ved lave temperaturer lægger sig i orden og derved giver anledning til den høje elektriske feltstyrke. Samtidig opretholdes en positiv spænding på den frie overflade (tyndfilmen var lagt oven på et guldlag).

Det er den positive spænding på overfladen, som tiltrækker elektronerne, selv om materialet samlet set holdes på en negativ spænding.

Sker det samme så i alle materialer? Svaret er nej.

Forskerne har undersøgt forskellige materialer og er kommet frem til, at de polarisede lag kun dannes, når dipolmomentet er under 0,5 debye, og der ikke forekommer hydrogenbindinger.

Det betyder, at effekten eksempelvis opstår i propan, isopren og isopentan, men ikke i OCS (carbonylsulfid) eller H2O.

Dipolmomentet er et udtryk for, hvor megen ladning der er forskudt, multipliceret med afstanden mellem ladningerne. Det angives normalt i enheden debye (D), som svarer til 3,3x10^-30 Cm i SI-enheder. Værdien for dipolmomentet i simple diatomiske molekyler er i området 0-11 D. H2O har et dipolmoment på 1,85 D.