Een team onder leiding van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy synthetiseerde een kleine structuur met een groot oppervlak en ontdekte hoe de unieke architectuur ionen over interfaces drijft om energie of informatie te transporteren. Hun "nanoborstel" bevat borstelharen gemaakt van afwisselende kristalplaten met verticaal uitgelijnde interfaces en overvloedige poriën.

"Dit zijn belangrijke technische prestaties en kunnen nuttig zijn bij het bevorderen van energie- en informatietechnologieën, " zei ORNL's Ho Nyung Lee, wie leidde de studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie . "Dit is een uitstekend voorbeeld van werk dat alleen haalbaar is met de unieke expertise en mogelijkheden die beschikbaar zijn in nationale laboratoria."

De onderzoekers van het team komen uit de nationale DOE-laboratoria Oak Ridge en Argonne en het Massachusetts Institute of Technology, of MIT, Universiteit van Zuid-Carolina, Colombia, en Universiteit van Tennessee, Knoxville.

De borstelharen van hun meerlagige kristal, of "superkristal, " worden vrijstaand op een substraat gekweekt. Voormalig ORNL-postdoctoraal onderzoeker Dongkyu Lee synthetiseerde de superkristallen met behulp van gepulseerde laserepitaxie om afwisselende lagen van fluoriet-structuur ceriumoxide (CeO) af te zetten en op te bouwen. ₂ ) en yttriumoxide met bixbyietstructuur (Y2O3). De realisatie van de borstelharen op nanoschaal werd mogelijk gemaakt door de ontwikkeling van een nieuwe benadering voor precisiesynthese die atoomdiffusie en -aggregatie tijdens de groei van dunnefilmmaterialen regelt. Met behulp van scanning transmissie-elektronenmicroscopie, of STEM, voormalig ORNL-postdoctoraal onderzoeker Xiang Gao was verrast om atomair precieze kristallijne interfaces in de borstelharen te ontdekken.

Om de verdeling van CeO . te zien ₂ en Y ₂ O ₃ binnen de nanoborstel, Jonathan Poplawsky van ORNL heeft monsters van de borstelharen gemeten met behulp van atoomsondetomografie, of APT, bij het Centrum voor Nanofase Materiaalwetenschappen, een DOE Office of Science User Facility bij ORNL. "APT is de enige beschikbare techniek die in staat is om de driedimensionale posities van atomen in een materiaal te onderzoeken met een resolutie van minder dan nanometer en een chemische gevoeligheid van 10 delen per miljoen, " zei Poplawsky. "APT verduidelijkt de lokale verdelingen van atomen binnen een object met nanogrootte en was een uitstekend platform voor het verstrekken van informatie over de 3D-structuur van het grensvlak tussen de ceriumoxide- en yttriumoxidelagen."

Voor een paper uit 2017, de door ORNL geleide onderzoekers gebruikten epitaxie door gepulseerde laserdepositie om nanoborstels nauwkeurig te synthetiseren met borstelharen die slechts één verbinding bevatten. Voor de krant van 2020, ze gebruikten dezelfde methode om twee verbindingen in lagen te leggen, Directeur ₂ en Y2O ₃ , het fabriceren van de eerste hybride borstelharen met interfaces tussen de twee materialen. traditioneel, interfaces worden zijdelings uitgelijnd door verschillende kristallen in dunne films in lagen te leggen, terwijl in de nieuwe nanoborstels, wanneer ze op een bepaald oppervlak worden gekweekt, interfaces zijn verticaal uitgelijnd door minimalisering van oppervlakte-energie in borstelharen die slechts 10 nanometer breed zijn - ongeveer 10, 000 keer dunner dan een mensenhaar.

"Dit is een echt innovatieve manier om kristallijne nanoarchitecturen te bouwen, het bieden van ongekende verticale interfaces die nooit haalbaar werden geacht, " Ho Nyung Lee zei. "Je kunt deze perfecte kristallijne architecturen niet bereiken met een andere synthesemethode."

Hij voegde toe, "Er zijn veel manieren om interfaces te gebruiken, daarom zei 2000 Nobelprijswinnaar Herbert Kroemer:'de interface is het apparaat.'" Conventioneel, het afzetten van lagen dunne filmmaterialen op substraten creëert grensvlakken die horizontaal zijn uitgelijnd, waardoor ionen of elektronen langs het 2D-vlak van het substraat kunnen bewegen. De door ORNL geleide prestatie is een proof of concept dat het mogelijk is om verticaal uitgelijnde interfaces te creëren waardoor elektronen of ionen uit het vlak van het substraat kunnen worden getransporteerd. Bovendien, architecturen zoals de nanobrush kunnen worden gecombineerd met andere architecturen op nanoschaal om apparaten te creëren voor kwantumtechnologieën en detectie, evenals voor energieopslag.

De energiezuinige configuratie van de fluorietstructuur veroorzaakte de vorming van unieke chevronpatronen, of omgekeerde "V"-vormen. Een kleine mismatch tussen verschillende structuren van fluoriet- en bixbyite-kristalsubeenheden veroorzaakt een mismatch van de elektronische ladingen op hun interfaces, waardoor zuurstofatomen de fluorietzijde verlaten, wat leidt tot de vorming van functionele defecten. De ruimtes die achterblijven, kunnen grensvlak-zuurstofionen vormen en een kanaal op atomaire schaal creëren waardoor de ionen kunnen stromen. "We gebruiken de interfaces niet alleen om kunstmatig zuurstofionen te creëren, maar ook om ionenbeweging op een meer doelbewuste manier te begeleiden, "zei Leen.

Met de hulp van ORNL's Matthew Chisholm, Gao gebruikte STEM om de atomaire structuur van de kristal- en elektronenenergieverliesspectroscopie bloot te leggen om chemische en elektronische inzichten over de interface te onthullen. "We hebben waargenomen dat een kwart van de zuurstofatomen verloren gaat aan de grensvlakken, " zei Chisholm. "We waren ook verrast door het groeipatroon van de chevron. In het begin was het van cruciaal belang om echt te begrijpen hoe de interfaces zich in de borstelharen vormen."

De nanobrush heeft een hoge porositeit, en zijn architectuur is voordelig voor toepassingen die een groot oppervlak nodig hebben om elektronische en chemische interacties te maximaliseren, zoals sensoren, membranen en elektroden. Maar hoe konden de wetenschappers de porositeit van hun materiaal bepalen? Neutronen - neutrale deeltjes die door materialen gaan zonder ze te vernietigen - waren een uitstekend hulpmiddel om de porositeit van het bulkmateriaal te karakteriseren. De wetenschappers gebruikten middelen van de Spallation Neutron Source, een DOE Office of Science User Facility bij ORNL, voor uitgebreide Q-bereik kleine hoek neutronenverstrooiing die de bovengrens van de porositeit bepaald op 49%. "Snel gegroeide borstelharen kunnen ongeveer 200 keer zoveel oppervlakte bieden als een 2-D dunne film, ", zei ORNL-co-auteur Michael Fitzsimmons.

Hij voegde toe, "Wat we leren, kan toepassingen van neutronenwetenschap in het proces bevorderen. Terwijl dunne films niet voldoende oppervlak bieden voor neutronenspectroscopiestudies, ORNL's nieuwe nanobrush-architectuur doet, en zou een platform kunnen zijn om meer te leren over grensvlakmaterialen wanneer een nog helderdere neutronenbundel beschikbaar komt op het tweede doelstation van SNS, dat is een gefinancierd bouwproject."

Theoretische berekeningen van het materiële systeem van het elektronische en atomaire niveau ondersteunde bevindingen over het ontstaan ​​van zuurstof-vacatures aan de interfaces. MIT-bijdrager Lixin Sun voerde dichtheidsfunctionaaltheorie-berekeningen en moleculaire dynamica-simulaties uit onder leiding van Bilge Yildiz.

"Onze theoretische berekeningen onthulden hoe deze interface een grotendeels andere chemie kan accommoderen bij dit type unieke interface in vergelijking met bulkmaterialen, " zei Yildiz. De MIT-berekeningen voorspelden de energie die nodig was om een ​​neutraal zuurstofatoom te verwijderen om een ​​leegte te vormen dicht bij het grensvlak of in het midden van een ceriumoxidelaag. "In het bijzonder, we ontdekten dat een groot deel van de zuurstofionen aan het grensvlak wordt verwijderd zonder de roosterstructuur te verslechteren."

Lee zei, "Inderdaad, deze kritieke interfaces kunnen zich vormen binnen nanobrush-architecturen, waardoor ze veelbelovender zijn dan conventionele dunne films in veel technologische toepassingen. Hun veel grotere oppervlakte en grotere aantal interfaces - mogelijk duizenden in elke borstelharen - kan een game changer blijken in toekomstige technologieën waarin de interface het apparaat is."

De titel van het artikel is "Kolossale vorming van zuurstofvacatures op een grensvlak tussen fluoriet en bixbyiet."