De term legering verwijst meestal naar een mengsel van verschillende metalen. Echter, andere materialen kunnen ook worden gelegeerd. In de halfgeleiderindustrie bijvoorbeeld, oxide- en nitridelegeringen worden al lang met succes gebruikt om de functionele eigenschappen van het materiaal af te stemmen. Gebruikelijk, deze veranderingen treden geleidelijk op en de eigenschappen van de basismaterialen zijn nog goed te herkennen.

Echter, als verbindingen met ongeëvenaarde kristalstructuren worden gemengd, "heterostructurele legeringen" worden gevormd. In deze legeringen de structuurveranderingen zijn afhankelijk van de mengverhouding van de componenten. Soms, dit levert verrassende eigenschappen op die opmerkelijk verschillen van die van de basismaterialen. Het zijn deze oxidelegeringen waar Empa-onderzoeker Sebastian Siol in geïnteresseerd is. Hij wil ze niet alleen ontdekken, maar maak ze bruikbaar voor het dagelijks leven. In zijn zoektocht naar het gewenste materiaal, hij moet meerdere materiaaleigenschappen tegelijk in de gaten houden, zoals de structuur, de elektronische eigenschappen en de stabiliteit op lange termijn.

Siol kwam vorig jaar bij Empa. Eerder, hij deed onderzoek aan het National Renewable Energy Research Laboratory (NREL) in Golden, Colorado, waar hij een opmerkelijke publicatie achterliet:legeringen met 'negatieve druk'. Samen met zijn collega's hij mengde mangaanselenide en mangaantelluride met behulp van een koude stoomtechniek (magnetron sputteren). Bij bepaalde verhoudingen de basismaterialen versmolten tot een kristalrooster dat voor beide componenten "ongemakkelijk" was. Geen van beide partners kon zijn favoriete kristalstructuur forceren, waar het de voorkeur aan geeft in zuivere staat, op de ander.

Het resulterende compromis was een nieuwe fase, die zich normaal alleen bij "negatieve druk" zouden vormen, d.w.z. wanneer het materiaal permanent aan spanning wordt blootgesteld. Deze materialen zijn onder normale omstandigheden uiterst moeilijk te produceren. Siol en zijn collega's bij NREL zijn erin geslaagd om deze moeilijkheid te overwinnen. Het nieuwe materiaal, nu toegankelijk dankzij deze methode, geeft veel nuttige eigenschappen weer. Bijvoorbeeld, het is piëzo-elektrisch. Met andere woorden, het kan worden gebruikt om elektriciteit op te wekken, detectoren produceren of halfgeleiderexperimenten uitvoeren, wat met de zuivere basismaterialen niet mogelijk zou zijn geweest.

Onderzoek naar stabiele systemen

Bij Empa, Siol zal zijn ervaring in het maken van "onmogelijke" oxidelegeringen ter tafel brengen. Hij wil oxidemengsels met een variabele structuur ontdekken en deze zo stabiliseren dat ze geschikt worden voor dagelijks gebruik. Het Laboratorium voor Verbindingstechnieken &Corrosie onder leiding van Lars Jeurgens heeft ruime ervaring in praktische toepassingen van stabiele oxidelagen en legeringen. De initiële focus ligt op gemengde oxiden gemaakt van titanium en wolfraamoxide, die van belang kunnen zijn voor raamcoatings, halfgeleidertechnologie of sensortechnologie. Siol's collega Claudia Cancellieri doet al enkele jaren onderzoek naar de elektronische eigenschappen van oxide-interfaces en draagt ​​haar expertise bij aan het project.

"De materiaalcombinatie is erg spannend, " legt Siol uit. Titaniumoxiden zijn extreem stabiel en worden gebruikt in zonnecellen, muurverf en tandpasta. Wolfraamoxiden, anderzijds, zijn relatief onstabiel en worden gebruikt voor slimme ramen, gassensoren of als katalysator in de petrochemie. "Vroeger, onderzoek was vaak uitsluitend gericht op het optimaliseren van materiaaleigenschappen, ", zegt Siol. "Het is cruciaal, echter, dat het materiaal meerdere jaren in het betreffende toepassingsgebied kan worden gebruikt." dit zou belangrijk zijn voor halfgeleidercoatings in elektrochrome ramen, die tientallen jaren meegaan in agressieve omgevingen, blootgesteld aan zonlicht en temperatuurschommelingen. De Empa-onderzoekers streven naar deze stabiliteit op lange termijn.

Om deze oxidefasen te produceren, gebruiken Siol en zijn collega's verschillende industrieel schaalbare technieken:gecontroleerde oxidatie van dunne metaalfilms in een buisoven of elektrolytoplossing, evenals reactief sputteren, waar de metalen direct tijdens het depositieproces worden geoxideerd. "Onmogelijke" oxide legeringen, het onderwerp van fundamenteel onderzoek tot nu toe, worden zo stilaan tastbaar voor industriële toepassingen.