Wetenschappers hebben een nieuwe benadering ontwikkeld voor het maken van metaal-metaalcomposieten en poreuze metalen met een 3-D onderling verbonden "bicontinue" structuur in dunne films op schaalgroottes variërend van tientallen nanometers tot microns. Metaalmaterialen met deze sponsachtige morfologie - gekenmerkt door twee naast elkaar bestaande fasen die elkaar doordringende netwerken vormen die zich over de ruimte voortzetten - kunnen nuttig zijn bij katalyse, opwekking en opslag van energie, en biomedische detectie. Dunne-film solid-state interfacial dealloying (SSID) genoemd, de aanpak gebruikt warmte om een ​​zelforganiserend proces aan te drijven waarin metalen zich vermengen of ontmengen om een ​​nieuwe structuur te vormen. De wetenschappers gebruikten meerdere op elektronen en röntgenstralen gebaseerde technieken ("multimodale analyse") om de vorming van de bicontinue structuur te visualiseren en te karakteriseren.

"Verwarming geeft de metalen wat energie zodat ze kunnen interdiffunderen en een zelfdragende thermodynamisch stabiele structuur vormen, " legde Karen Chen-Wiegart uit, een assistent-professor aan de afdeling Materials Science and Chemical Engineering van de Stony Brook University (SBU), waar ze de Chen-Wiegart Research Group leidt, en een wetenschapper bij de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - een Office of Science User Facility van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) in het Brookhaven National Laboratory. "SSID is eerder aangetoond in bulkmonsters (tientallen microns en dikker) maar resulteert in een groottegradiënt, met een grotere structuur aan de ene kant van het monster en een kleinere structuur aan de andere kant. Hier, Voor de eerste keer, we hebben SSID met succes gedemonstreerd in een volledig geïntegreerde dunnefilmverwerking, wat resulteert in een homogene grootteverdeling over het monster. Deze homogeniteit is nodig om functionele nanostructuren te creëren."

Chen-Wiegart is de corresponderende auteur van een artikel dat online is gepubliceerd in Materialen Horizons dat staat op de omslag van het online tijdschriftnummer van 18 november. De andere samenwerkende instellingen zijn het Centre for Functional Nanomaterials (CFN) - een andere DOE Office of Science User Facility in Brookhaven Lab - en het National Institute of Standards and Technology (NIST).

Om hun proces te demonstreren, de wetenschappers bereidden dunne films van magnesium (Mg) en ijzer (Fe) en nikkel (Ni) op ​​silicium (Si) wafelsubstraten in de CFN Nanofabrication Facility. Ze verwarmden de monsters gedurende 30 minuten tot hoge temperatuur (860 graden Fahrenheit) en koelden ze vervolgens snel af tot kamertemperatuur.

"We ontdekten dat Mg diffundeert in de Fe-Ni-laag, waar het alleen combineert met Ni, terwijl Fe scheidt van Ni, " zei eerste auteur Chonghang Zhao, een doctoraat student in de Chen-Wiegart Research Group. "Deze fasescheiding is gebaseerd op enthalpie, een energiemeting die bepaalt of de materialen "gelukkig" mengen of niet, afhankelijk van eigenschappen zoals hun kristalstructuur en bindingsconfiguraties. Het nanocomposiet kan verder worden behandeld om een ​​nanoporeuze structuur te genereren door een van de fasen chemisch te verwijderen."

Nanoporeuze structuren hebben vele toepassingen, inclusief fotokatalyse. Bijvoorbeeld, deze structuren zouden kunnen worden gebruikt om de reactie te versnellen waarbij water wordt gesplitst in zuurstof en waterstof - een schoon brandende brandstof. Omdat katalytische reacties plaatsvinden op materiaaloppervlakken, het grote oppervlak van de poriën zou de reactie-efficiëntie verbeteren. In aanvulling, omdat de "ligamenten" van nanoformaat inherent met elkaar verbonden zijn, ze hebben geen steun nodig om ze bij elkaar te houden. Deze verbindingen kunnen elektrisch geleidende paden verschaffen.

Het team identificeerde de gedeloyeerde bicontinue structuur van Fe en Ni-Mg door middel van complementaire elektronenmicroscopietechnieken bij de CFN en röntgensynchrotrontechnieken bij twee NSLS-II-bundellijnen:de Hard X-ray Nanoprobe (HXN) en Beamline for Materials Measurement (BMM) ).

"Met behulp van de scanmodus in een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM), we hebben de elektronenstraal op specifieke locaties over het monster gerasterd om 2D-elementkaarten te genereren die de ruimtelijke verdeling van elementen weergeven, " legde Kim Kisslinger uit, een technisch medewerker in de onderzoeksgroep CFN Elektronenmicroscopie en aanspreekpunt voor het instrument.

Het team gebruikte ook TEM om elektronendiffractiepatronen te verkrijgen die de kristalstructuur vastleggen en een scanning elektronenmicroscoop (SEM) om de oppervlaktemorfologie te bestuderen.

Deze eerste analyse leverde bewijs voor de vorming van een bicontinue structuur lokaal in 2-D met hoge resolutie. Om verder te bevestigen dat de bicontinue structuur representatief was voor het gehele monster, het team wendde zich tot de HXN-bundellijn, die 3D-informatie over een veel groter gebied kan bieden.

"Met HXN, we kunnen ons goed concentreren, of hoge energie, röntgenstralen naar een heel klein plekje van ongeveer 12 nanometer, " zei co-auteur en HXN-natuurkundige Xiaojing Huang. "De toonaangevende ruimtelijke resolutie van harde röntgenmicroscopie bij HXN is voldoende om de kleinste structuren van het monster te zien, die in grootte variëren van 20 tot 30 nanometer. Hoewel TEM een hogere resolutie biedt, het gezichtsveld is beperkt. Met de röntgenmicroscoop, we waren in staat om de 3D-elementverdelingen binnen een groter gebied te observeren, zodat we de homogeniteit konden bevestigen."

Metingen bij HXN werden op een multimodale manier uitgevoerd, met de gelijktijdige verzameling van röntgenverstrooiingssignalen die 3D-structuur en fluorescentiesignalen onthullen die elementgevoelig zijn. Atomen zenden fluorescentie uit wanneer ze terugspringen naar hun laagste energie (grond) toestand nadat ze zijn geëxciteerd naar een onstabiele toestand met hogere energie als reactie op de röntgenstraling. Door deze karakteristieke fluorescentie te detecteren, wetenschappers kunnen het type en de relatieve hoeveelheid elementen bepalen die op specifieke locaties aanwezig zijn.

Co-auteur en NIST Synchrotron Science Group-fysicus Bruce Ravel bevestigde de chemische samenstelling van het monster en verkreeg de precieze chemische vormen (oxidatietoestanden) van de elementen bij BMM, die wordt gefinancierd en beheerd door NIST. De röntgenabsorptie near-edge structure (XANES) spectra toonden ook de aanwezigheid van zuiver Fe.

Nu de wetenschappers hebben aangetoond dat SSID in dunne films werkt, hun volgende stap is het aanpakken van de 'parasitaire' gebeurtenissen die ze in de loop van dit onderzoek hebben geïdentificeerd. Bijvoorbeeld, ze ontdekten dat Ni diffundeert in het Si-substraat, leidt tot leegtes, een soort constructief defect. Ze zullen ook poriestructuren maken van de metaal-metaalcomposieten om toepassingen zoals fotokatalyse, en hun benadering toepassen op andere metaalsystemen, inclusief op titanium gebaseerde.