In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in Nature Asia Materials , vormden Kenshi Harada en een team in materiaalkunde en analytische wetenschap in Japan en Frankrijk een nieuw omgevingsdetectieapparaat dat de opto-ionisch-elektronische verschijnselen van een octaëdrisch molybdeenmetaal (Mo₆ ) TROS. Het team bouwde deze nanomaterialen, of atomaire clusters, met aan elkaar gebonden metaalatomen met bijbehorende niet-metalen atomen. Ze veranderden de eigenschappen van de materialen voor verschillende toepassingen door functionele stoffen toe te voegen. In dit werk hebben Harada et al. ontwikkelde transparante films gemaakt van indiumtinoxide waarop ze hexamolybdeen-atoomclusters afzetten om de vochtigheid en temperatuurafhankelijkheid van de elektrische eigenschappen van de films te onderzoeken en om te begrijpen hoe hun geleidbaarheid veranderde met variërende lichtomstandigheden. Het innovatieve materiaal heeft toepassingen als atmosferische sensor.

Materiaaltechniek om nieuwe nanomaterialen te ontwerpen

Metalen, halfgeleiders, keramiek en polymeren geven allemaal aanleiding tot functionele materialen met het potentieel om nieuwe technologieën te ontwikkelen. Materialen die energie omzetten, kunnen op grote schaal worden gebruikt in alledaagse situaties, en onderzoekers streven ernaar om meer geavanceerde eigenschappen te geven aan apparaten, waaronder piëzo-elektrische, thermo-elektrische, gassensoren en fotodiodes voor duurzame functies. Multifunctionele materiaalontwikkeling gekoppeld aan miniaturisatie van apparaten kan leiden tot het gebruik van één enkel product om toepassingen in detectie en verlichting uit te breiden. Harada et al. gericht op metaalatoomclusters die worden erkend als multifunctionele bouwstenen van nanomaterialen om nieuwe slimme apparaten te ontwerpen. Ze bestudeerden de temperatuurafhankelijkheid van elektronische eigenschappen van een doorschijnend molybdeen-metaalcluster bereid via elektroforetische afzetting, naast eigenschappen van de geleidbaarheid van materialen onder lichtbestraling. Vervolgens bepaalden ze met behulp van massaspectrometrie de chemische samenstelling van het metaalcluster en beschreven ze de elektronische eigenschappen om de invloed van lichtinstraling op elektronische en ionische eigenschappen te begrijpen.

Harada et al. karakteriseerde eerst de oppervlaktefilm met behulp van een scanning elektronenmicroscoop. Vervolgens kwantificeerden ze de ionenmobiliteitsspectrometrie-massaspectrometrie om de hypothese van ionenuitwisseling tijdens elektroforetische depositie te ondersteunen. Op basis van de resultaten liet de ionenmobiliteitsspectrometrie zien hoe deze liganduitwisselingsreacties de molybdeenclustergeometrie niet substantieel beïnvloedden. Vervolgens onderzochten ze de temperatuur- en vochtigheidsafhankelijkheid tijdens elektrische geleidbaarheid in de molybdeenclusterfilm en toonden aan dat de elektronische weerstand van de clusterfilm temperatuurafhankelijk is. Naarmate de temperatuur steeg, nam de elektronische weerstand af. Het team observeerde vervolgens vergelijkbare activeringsenergieën voor molybdeenclusterfilms die waren voorbereid met verschillende afzettingstijden om te suggereren hoe elektronische eigenschappen niet werden beïnvloed door filmdikte. Harada et al. ook verantwoordelijk voor de impedantiespectra van de clusterfilm bij verschillende relatieve vochtigheid om aan te tonen dat naarmate de relatieve vochtigheid afnam, de elektronische weerstand toenam.

Ontspanning-frequentie-afhankelijkheid van de molybdeenclusterfilm en andere eigenschappen.

Harada et al. observeerde vervolgens de geleidbaarheid van de clusterfilm, die in het algemeen afhing van het aantal hydronium (H₃ O ⁺ ) en hydroxide (OH ^- ) ionen gecreëerd door de hydrolysereactie tijdens het proces van elektroforetische afzetting. De lokale wijziging van de pH rond de elektroden was een belangrijke factor tijdens het elektroforetische depositieproces, en het team gebruikte hydroniumionen om de molybdeenclusteranionen te neutraliseren en extra clusters te creëren, met potentieel stabiele en geneutraliseerde componenten. De wetenschappers benaderden vervolgens de elektronische eigenschappen van de molybdeenclusterfilm onder lichtbestraling, die ze kenmerkten via gelijkstroommeting. Ze merkten elektrische geleiding op via onsamenhangende overgangen van ladingsdragers tussen ruimtelijk gelokaliseerde toestanden. Het team observeerde veranderingen in lokale elektronische eigenschappen van de clusterfilm onder bestraling via ultraviolette, rode en blauwe LED-lampen onder gelijkstroom. In elk geval voerden ze slechts 30 seconden licht uit na een verstreken tijd van 270 seconden vanaf het begin van het aanbrengen van gelijkstroom. Harada et al. ook de impedantie van de clusterfilm gemeten onder UV-, blauw- en roodlichtbestraling. De fotonfluxdichtheden waren vergelijkbaar onder de van belang zijnde omstandigheden. De waargenomen verhoogde impedantie wanneer de monsters werden bestraald met UV en blauw licht, terwijl er geen significante veranderingen werden waargenomen met rood licht.

Vooruitzichten

Het team ontwikkelde verder een schematische structuur van het molybdeencluster in de film op basis van de resultaten en voerde verschillende experimenten uit met reproduceerbare verschijnselen waarvan werd aangetoond dat ze omkeerbaar zijn. Zo hebben Harida et al. zou de verminderde lichtinstraling na een uur evenwicht in de oorspronkelijke staat kunnen herstellen. Omdat het molybdeencluster fotokatalytische eigenschappen vertoonde, ontleedden watermoleculen en/of hydroniumionen in de film in de fotoreactie voor verminderde ionengeleiding. Aanvullend onderzoek toonde ook aan hoe op moleculaire structuur gebaseerde lagen van nature leidden tot intrinsiek halfgeleidend gedrag. Op basis van de experimenten benadrukten Kenshi Harada en collega's de afhankelijkheid van de vochtigheid, de sterkte van het bestraalde licht en de stralingsgolflengte van de elektronische eigenschappen van de molybdeenclusterfilm. Het team identificeerde de meest voordelige kenmerken van het molybdeencluster, waaronder de grote Stokes-verschuiving, lange levensduur en hoge rode luminescentie-efficiëntie om te laten zien hoe de elektroforetische afzettingsfilm een ​​veelbelovend multifunctioneel apparaat vormde om vochtigheid en UV te detecteren. + Verder verkennen

Verrassende eigenschappen van halfgeleiders onthuld met innovatieve nieuwe methode

© 2022 Science X Network