Een team van experimentele en computationele wetenschappers onder leiding van Carnegie's Tim Strobel en Venkata Bhadram heeft een lang gezochte vorm van titaniumnitride gesynthetiseerd, Ti ₃ N ₄ , die veelbelovende mechanische en opto-elektronische eigenschappen heeft.

Standaard titaannitride (TiN), met een één-op-één verhouding van titanium en stikstof, vertoont een kristalstructuur die lijkt op die van tafelzout:natriumchloride, of NaCl. Het is een metaal met schurende eigenschappen en wordt daarom gebruikt voor het coaten van gereedschappen en het vervaardigen van elektroden. Titaannitride met een verhouding van drie tot vier van titanium en stikstof, titaannitride genoemd, ongrijpbaar is gebleven, ondanks eerdere theoretische voorspellingen van het bestaan ​​ervan en het feit dat nitriden met deze verhouding zijn geïdentificeerd voor de andere leden van de titaniumgroep op de periodetafel, inclusief zirkonium.

Het team van Strobel en Bhadram - Carnegie's Hanyu Liu, en Rostislav Hrubiak, evenals Vitali B. Prakapenka van de Universiteit van Chicago, Enshi Xu en Tianshu Li van de George Washington-universiteit, en Stephan Lany van het National Renewable Energy Laboratory — gingen de uitdaging aan. Hun werk wordt gepubliceerd en gemarkeerd als een suggestie van een redacteur in Fysiek beoordelingsmateriaal .

Ze creëerden Ti ₃ N ₄ in een kubische kristallijne fase met behulp van een laserverwarmde diamanten aambeeldcel, die op ongeveer 740 werd gebracht, 000 keer de normale atmosferische druk (74 gigapascal) en ongeveer 2, 200 graden Celsius (2, 500 Kelvin). Geavanceerde röntgen- en spectroscopische instrumenten bevestigden de kristallijne structuur die het team onder deze omstandigheden had gecreëerd. en theoretische modelgebaseerde berekeningen stelden hen in staat om de thermodynamische aard en fysische eigenschappen van Ti . te voorspellen ₃ N ₄ .

Tafelzoutachtig TiN is metaalachtig, wat betekent dat het een stroom van elektronen kan geleiden die een stroom vormen. Maar kubieke Ti ₃ N ₄ is een halfgeleider, wat betekent dat het zijn elektrische geleidbaarheid kan in- en uitschakelen. Deze mogelijkheid is enorm handig in elektronische apparaten. Op titanium gebaseerde halfgeleiders zijn bijzonder populair als katalysatoren voor zonne-watersplitsingsreacties om waterstof te produceren, een schone hernieuwbare energiebron.

Dit vermogen om geleidbaarheid in en uit te schakelen is mogelijk omdat sommige elektronen van een halfgeleider kunnen bewegen van een lagere energie-isolatietoestand naar een hogere energiegeleidende toestand wanneer ze worden onderworpen aan een invoer van energie. De energie die nodig is om deze sprong te starten, wordt een band gap genoemd. De band gap voor kubieke Ti3N4 is groter dan verwacht op basis van eerdere modelvoorspellingen. Verder, zoals metallisch TiN, Ti ₃ N ₄ wordt verwacht uitstekende mechanische en slijtvaste eigenschappen te vertonen.

"Voor zover wij weten is dit het eerste experimentele rapport over halfgeleidend titaniumnitride", zegt hoofdauteur Bhadram. "Wij geloven dat dit werk verdere experimentele en theoretische inspanningen zal stimuleren om nieuwe manieren te ontwerpen om de synthese van Ti . op te schalen ₃ N ₄ bij omgevingsdruk."