Lang eftertragtet form for kubik, halvledende titannitrid syntetiseret

Et team af eksperimentelle og beregningsforskere ledet af Carnegies Tim Strobel og Venkata Bhadram har syntetiseret en længe efterspurgt form for titannitrid, Ti ₃ N ₄ , som har lovende mekaniske og optoelektroniske egenskaber.

Standard titan nitrid (TiN), med et et-til-et-forhold mellem titanium og nitrogen, udviser en krystalstruktur, der ligner den for bordsalt - natriumchlorid, eller NaCl. Det er et metal med slibende egenskaber og bruges således til værktøjsbelægninger og fremstilling af elektroder. Titannitrid med et tre-til-fire forhold mellem titanium og nitrogen, kaldet titanisk nitrid, er forblevet undvigende, på trods af tidligere teoretiske forudsigelser om dets eksistens og det faktum, at nitrider med dette forhold er blevet identificeret for de andre medlemmer af titaniumgruppe på periodetabellen, herunder zirkonium.

Strobel og Bhadrams team - Carnegies Hanyu Liu, og Rostislav Hrubiak, samt Vitali B. Prakapenka fra University of Chicago, Enshi Xu og Tianshu Li fra George Washington University, og Stephan Lany fra National Renewable Energy Laboratory - tog udfordringen op. Deres arbejde udgives og fremhæves som et redaktionsforslag i Materialer til fysisk gennemgang .

De skabte Ti ₃ N ₄ i en kubisk krystallinsk fase ved hjælp af en laseropvarmet diamantamboltcelle, som blev bragt til omkring 740, 000 gange normalt atmosfærisk tryk (74 gigapascal) og cirka 2, 200 grader Celsius (2, 500 kelvin). Avancerede røntgen- og spektroskopiske værktøjer bekræftede den krystallinske struktur, teamet havde skabt under disse forhold, og teoretiske modelbaserede beregninger tillod dem at forudsige Ti's termodynamiske natur og fysiske egenskaber ₃ N ₄ .

Bordsaltlignende TiN er metallisk, hvilket betyder, at den kan lede en strøm af elektroner, der udgør en strøm. Men kubisk Ti ₃ N ₄ er en halvleder, hvilket betyder, at den kan have sin elektriske ledningsevne tændt og slukket. Denne mulighed er enormt nyttig i elektroniske enheder. Titaniumbaserede halvledere er særligt populære som katalysatorer for solvandssplittende reaktioner til fremstilling af brint, en ren vedvarende energikilde.

Denne evne til at tænde og slukke konduktivitet er mulig, fordi nogle af en halvlederes elektroner kan bevæge sig fra isolerende tilstande med lavere energi til ledende tilstande med højere energi, når de udsættes for et input af energi. Den energi, der kræves for at starte dette spring, kaldes et båndgab. Båndgabet for cubic Ti3N4 er større end forventet baseret på tidligere modelforudsigelser. Desuden, som metallisk TiN, Ti ₃ N ₄ forventes at udvise fremragende mekaniske og slidstyrkeegenskaber.

"Så vidt vi ved, er dette den første eksperimentelle rapport om halvledende titanitrid," siger hovedforfatter Bhadram. "Vi mener, at dette arbejde vil stimulere yderligere eksperimentelle og teoretiske bestræbelser på at designe nye måder at skalere syntesen af ​​Ti på ₃ N ₄ ved omgivelsestryk. "