science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Kijken naar de in situ waterstofdiffusiedynamiek in magnesium op nanoschaal

In situ s-SNOM-principe. (A) Schematische tekening van het principe voor in situ s-SNOM. We gebruiken vrijstaande dunne films die worden gerealiseerd door 10 nm Pd thermisch te verdampen, 5 nm Ti, en 50 nm Mg op een Pd-Au-membraan. Dit maakt hydrogenering van onderaf mogelijk. De gemetalliseerde AFM-tip van de s-SNOM-opstelling scant het bovenoppervlak om de lokale optische eigenschappen te onderzoeken, terwijl de Mg dunne film waterstof absorbeert. In aanvulling, een karakteristieke IR-fonon van MgH2 maakt chemisch specifieke beeldvorming mogelijk. De Mg-laag staat in contact met lucht, oxidatie veroorzaken. Echter, de zeer dunne MgO-laag is transparant voor beeldvorming met de frequentie van de MgH2-fonon en heeft nauwelijks invloed op onze s-SNOM-metingen. (B en C) optische beelden (genomen in reflectie) die de s-SNOM cantilever en de vrijstaande Mg-film in zijn ongerepte staat en na 60 min blootstelling aan waterstofgas (2% bij 1 bar) tonen, respectievelijk. Fotocredits:J. Karst (Universiteit van Stuttgart). Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, doi:10.1126/sciadv.aaz0566

Schakelbare materialen met een extreem materiaalcontrast en korte schakeltijden met verwaarloosbare degradatie kunnen bijdragen aan actieve plasmonische en nanofotonische systemen. Om hun hoogste eigenschappen te begrijpen, onderzoekers moeten diepgaande kennis vergaren over nanoscopische processen. In een nieuwe studie die nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Julian Karst en een team van wetenschappers aan de Universiteit van Stuttgart, Duitsland, onderzocht nanoscopische details van de faseovergangsdynamiek van metallisch magnesium (Mg) naar diëlektrisch magnesiumhydride (MgH 2 ) met behulp van vrijstaande films om nano-imaging in het laboratorium uit te voeren. Het team gebruikte karakteristieke MgH 2 fonon-resonantie om ongekende chemische specificiteit tussen de materiële toestanden te verkrijgen. De resultaten onthulden het kiemvormingsproces dat plaatsvond tijdens nanokristallijne vorming. Ze maten een snellere voortplanting van de hydridefase op nanoschaal, vergeleken met macroscopische voortplantingsdynamiek. De innovatieve methode biedt een technische strategie om beperkte diffusiecoëfficiënten met aanzienlijke impact te overwinnen om te ontwerpen, ontwikkel en analyseer schakelbare faseovergang, waterstofopslag en opwekkingsmaterialen.

Materialen die prominente faseovergangen van metaal naar isolator behouden, zijn uitstekende kandidaten voor schakelbare optische en nanofotonische systemen en hebben uitgebreid onderzoek ondergaan. Dergelijke materialen kunnen extreme veranderingen in optische eigenschappen ondergaan tijdens de overgang van een metallische naar een diëlektrische fase om zeer relevante schakelbare optische en actieve plasmonische systemen te vormen. In dit werk, Karst et al. gekozen voor Magnesium (Mg) als het archetypische materiaalsysteem, omdat het wijdverbreid onderzoek heeft ontvangen, voornamelijk in het kader van waterstofopslag. In zijn oorspronkelijke metallische staat, magnesium is een uitstekend plasmonisch materiaal. Wanneer het element wordt blootgesteld aan waterstof (H 2 ), er vindt een faseovergang plaats van metallisch Mg naar het diëlektrische magnesium (di)hydride (MgH 2 ) om een ​​zeer transparant diëlektrisch materiaal te vormen. de MgH 2 fase is omkeerbaar naar de metallische Mg-toestand in een volledig cyclische overgang. Het concept stelt onderzoekers in staat om de plasmonische resonanties van magnesium nanostructuren te controleren en omkeerbaar aan en uit te schakelen, voor toepassingen in schakelbare meta-oppervlakken (als Mg-naar-MgH 2 ), dynamische holografie of in plasmonische kleurendisplays.

Waterstofdiffusieproces op nanoschaal, toont ook de bijbehorende afbeeldingen met verstrooiingsamplitude. Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, doi:10.1126/sciadv.aaz0566

Tijdens de experimenten, de wetenschappers gebruikten gouden roosters die waren voorgecoat met een 2 tot 3 nm-film van palladium (Pd). Het Pd fungeerde als een katalytische laag om de waterstofmoleculen te splitsen en diffusie in de Mg-film mogelijk te maken. Het team gebruikte titanium (Ti) om legering tussen Mg en Pd te voorkomen, die een waterstofdiffusiebarrière hadden kunnen vormen. In de proefopstelling is waterstofgas kreeg toegang tot de vrijstaande dunne films, terwijl Mg toegankelijk bleef voor verstrooiing-type scanning near-field optische microscopie (s-SNOM) metingen. Karst et al. scande de punt van de s-SNOM over het blootgestelde Mg-oppervlak om de tijddynamiek van hydridevorming en diffusie van waterstof in de film te observeren en te onderzoeken met een resolutie van nanometers. Toen ze de film blootstelden aan waterstofconcentratie in twee procent stikstof (N 2 ), de sterk reflecterende metalen Mg-film schakelde over op diëlektrisch MgH 2 , die zwart van kleur leek.

De s-SNOM-meting leverde twee hoofdgrootheden op, topologische informatie en informatie over lokale optische eigenschappen met betrekking tot de complexe diëlektrische functie. Het team scande vervolgens de cantilever met atomaire krachtmicroscopie binnen de s-SNOM-opstelling over het monsteroppervlak om oppervlaktetopografie te leveren. Dankzij demodulatie- en detectietechnieken konden ze informatie verkrijgen over lokale eigenschappen met een resolutie op nanoschaal. Om de lokale eigenschappen van het materiaal te onderzoeken, Karst et al. verlichtte de punt met een sterk lichtveld en merkte op dat de verstrooiingsamplitude beïnvloed zou worden door veranderingen in de filmtopografie en lokale eigenschappen. Echter, de verstrooiingsfase gedetecteerd voor Mg (blauw) en MgH 2 (rode) regio's vertoonden een sterk fasecontrast vanwege het karakteristieke infrarood fonon van MgH 2 , om een ​​duidelijke signatuur van gehydrogeneerde gebieden weer te geven in vergelijking met metalen gebieden. Op basis van de bevindingen, Karst et al. de hydrogenering van vrijstaande Mg-films verder bestudeerd door de verstrooiingsfasekaarten te inspecteren door de fasekaarten te bedekken met korrelgrenskaarten om in situ waterstofabsorptie in Mg in geselecteerde tijdstappen te visualiseren.

  • Near-field verschijning van de Mg-MgH2-faseovergang. (A tot D) s-SNOM-metingen die hetzelfde gebied van een 50 nm Mg-film in zijn ongerepte staat en na 10 minuten hydrogenering bij kamertemperatuur weergeven. (A) de topografie toont de uitbreiding van de individuele nanokristallieten van de polykristallijne Mg-film tijdens hydrogenering. (B) De mechanische fase φmech geeft duidelijke korrelgrenzen aan tussen de afzonderlijke nanokristallieten van de polykristallijne Mg-film. Door een randdetectiefilter toe te passen, we extraheren een masker van deze korrelgrenzen. (C) De verstrooiingsamplitude s4 (vierde demodulatieorde) daalt wanneer metallisch Mg verandert in diëlektrisch MgH2. Echter, de verstrooiingsamplitude wordt ook sterk beïnvloed door de oppervlakteruwheid, omdat korrelgrenzen zichtbaar zijn in de tweedimensionale (2D) scans die zijn uitgezet in (C). Dit leidt tot een onnauwkeurigheid in de bepaling waar Mg is overgeschakeld naar MgH2, als beide, een verandering in de optische eigenschappen en een verandering in de oppervlaktemorfologie/ruwheid, verander de verstrooiingsamplitude. (D) De verstrooiingsfase φ4 vertoont een zeer hoog materiaalcontrast tussen metallisch Mg (blauw uiterlijk) en diëlektrisch MgH2 (rood uiterlijk). Dit wordt bereikt door s-SNOM-metingen uit te voeren bij een karakteristieke IR-fononresonantie van MgH2 en maakt een chemisch specifieke beeldvorming op nanoschaal van de waterstofdiffusie mogelijk zonder de invloed van de oppervlaktetopografie. De 2D-beelden worden bedekt met het korrelgrensmasker van (B). (E) Nano-FTIR-spectra van de near-field verstrooiingsfase genomen op Mg (blauw) en MgH2 (rood). De grafiek toont het gemiddelde en de SD van elk vier posities. De duidelijke fononresonantie van MgH2 piekt bij v¯=1320 cm−1 en veroorzaakt een maximaal verstrooiingsfaseverschil van Δφ ≈ 130° tussen MgH2 en Mg. Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, doi:10.1126/sciadv.aaz0566

  • Chemisch specifieke in situ beeldvorming op nanoschaal van de diffusiedynamiek van waterstof in een dunne film van 50 nm Mg. We plotten 2D s-SNOM-beelden van de verstrooiingsfase φ4 in verschillende tijdstappen van het waterstoflaadproces. Alle scans worden uitgevoerd met een belichtingsfrequentie van v¯=1280 cm−1. Gehydrogeneerde gebieden (diëlektrisch MgH2) leiden tot een grote verschuiving van de optische fase in vergelijking met metallisch Mg, zoals gevisualiseerd door een blauw-naar-rode overgang. Een overlay met korrelgrensmaskers maakt een uitstekende tracking van de MgH2-formatie en een gedetailleerde studie van het diffusiemechanisme van waterstof in dunne Mg-films mogelijk. We vinden dat hydridevorming wordt genucleëerd aan korrelgrenzen en wordt gevolgd door een groeiproces van deze nucleatiecentra. Het hydrogeneringsfront vordert van korrel tot korrel totdat kanalen van MgH2 zich over het hele filmoppervlak hebben gevormd. De fasevorming stopt, hoewel het oppervlak niet volledig is overgeschakeld van Mg naar MgH2. Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, doi:10.1126/sciadv.aaz0566

  • Verticale expansie tijdens hydrogenering. (A) Topografie van de Mg dunne film na 2, 10, 20, en 60 min blootstelling aan waterstof. Eerst, er verschijnen kleine pieken. Hoe langer de hydrogenering duurt, hoe ruwer/oneffen het oppervlak wordt. (B en C) 2D-beelden van de lokale verticale expansie en hun histogrammen voor dezelfde tijdstappen als in (A) met een lokale verticale expansie van meer dan 60%. De gemiddelde verticale uitzetting wordt berekend door elk histogram te integreren. (D) Gemiddelde verticale uitzetting versus tijd. Voor een volledig gehydrogeneerde Mg-film, men zou verwachten dat de uitbreiding 30% zou bedragen. Omdat de waterstofabsorptie in onze 50 nm Mg-film verzadigd is terwijl er nog steeds gebieden met metallisch Mg over zijn, bereiken we een maximale gemiddelde verticale expansie van circa 25%. Dit kan worden verklaard met de voortplanting van het hydrogeneringsfront in verticale richting door de Mg-film. Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, doi:10.1126/sciadv.aaz0566

Verdere analyse stelde het team in staat om onderscheid te maken tussen nanoscopische en macroscopische hydridefase-propagatiedynamiek in Mg om inzicht te geven in hydrogenering op de schaal van de individuele korrel. Waterstofdiffusie in Mg-films was afhankelijk van de morfologie van het materiaal. Na elke afzonderlijke korrel, hydrogenering van de film gestopt, waardoor nieuwe kiemvorming mogelijk is voordat de volgende korrel wordt getransformeerd. Echter, zelfs na 60 minuten hydrogenering, het team observeerde aanzienlijke hoeveelheden ongerept metaal Mg op het filmoppervlak, die in tegenspraak was met eerdere literatuur over Mg. Karst et al. toegeschreven het gedrag aan verschillende factoren, inclusief de blokkerende laag die is gevormd om de verticale voortgang van het waterstoffront in de opstelling te stoppen, die het oppervlak in een ongerepte staat hebben achtergelaten. Ze merkten ook de veranderende filmmorfologie en filmexpansie op bij blootstelling aan waterstof als mogelijke bijdragende factoren.

Op deze manier, Julian Karst en collega's onderzochten de dynamiek van waterstofdiffusie op nanoschaal in het laboratorium met behulp van s-SNOM. Gebaseerd op een karakteristieke IR fonon-resonantie van MgH 2 , ze lieten chemische specificiteit toe om hydridevorming te volgen, nucleatie en laterale groei. Het proces werd sterk beïnvloed door de morfologie op nanoschaal van de Mg-film, die ook verantwoordelijk was voor de langzame diffusie van waterstof door de hele film. Het team merkte op hoe het proces van hydrogenering stopte voordat de hele film omschakelde, waardoor gebieden van metallisch Mg in het diëlektrische MgH . achterblijven 2 . De bevindingen hebben onmiddellijke gevolgen voor een reeks actieve optische en plasmonische systemen die Mg en andere overgangsmaterialen gebruiken. Het werk vormt een belangrijke stap voorwaarts om de diffusiekinetiek te verbeteren en te begrijpen, dynamiek, en efficiëntie van faseverandering over schakelbare materialen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Temperatuur kan de pollenkleur beïnvloeden
  2. Vroege bloeiers:statistische tool onthult effecten van klimaatverandering op planten
  3. Wat zijn sommige Cell Organelle-analogieën?
  4. Van Zuidoost-Azië tot de riolen:studie bepaalt nieuwe geografische oorsprong van bruine ratten
  5. Wat zijn Agar Slants?
  6. De giftige suikerboom:de evolutionaire geschiedenis van een kankerachtig suikergen in kaart brengen
  7. Wat is er met androgyn gebeurd?
  8. Verschillen tussen Protista en Monera
  9. Wetenschappers hebben het allereerste roestpathogeen gen geïsoleerd dat tarweplanten detecteren om resistentie in te schakelen

Wetenschap