Et usandsynligt ægteskab blandt oxider

Udtrykket legering refererer normalt til en blanding af flere metaller. Imidlertid, andre materialer kan også legeres. I halvlederindustrien, for eksempel, oxid- og nitridlegeringer har længe været brugt med succes til at justere materialets funktionelle egenskaber. Som regel, disse ændringer sker gradvist, og grundmaterialernes egenskaber er stadig nemme at genkende.

Imidlertid, hvis forbindelser med uovertrufne krystalstrukturer blandes, "heterostrukturelle legeringer" dannes. I disse legeringer, strukturændringerne afhænger af komponenternes blandingsforhold. Sommetider, dette giver overraskende egenskaber, der adskiller sig bemærkelsesværdigt fra basismaterialernes. Det er disse oxidlegeringer, Empa-forsker Sebastian Siol er interesseret i. Han vil ikke kun opdage dem, men gør dem brugbare til hverdagen. I sin søgen efter at finde det ønskede materiale, han skal holde øje med flere materialeegenskaber på én gang, såsom strukturen, de elektroniske egenskaber - og den langsigtede stabilitet.

Siol kom til Empa sidste år. Tidligere, han forskede ved National Renewable Energy Research Laboratory (NREL) i Golden, Colorado, hvor han efterlod en bemærkelsesværdig publikation:legeringer med "negativt pres." Sammen med sine kolleger, han blandede manganselenid og mangantellurid ved hjælp af en kolddampteknik (magnetronsputtering). Ved visse forhold, basismaterialerne smeltede sammen for at danne et krystalgitter, der var "ubehageligt" for begge komponenter. Ingen af ​​partnerne kunne tvinge sin foretrukne krystalstruktur, som den foretrækker i en ren tilstand, på den anden.

Det resulterende kompromis var en ny fase, som normalt kun ville dannes ved "negativt tryk" - dvs. når materialet er permanent udsat for spændinger. Disse materialer er ekstremt vanskelige at fremstille under normale forhold. Siol og hans kolleger hos NREL har formået at overvinde denne vanskelighed. Det nye materiale, nu tilgængelig takket være denne metode, viser mange nyttige egenskaber. For eksempel, den er piezoelektrisk. Med andre ord, det kan bruges til at producere elektricitet, producere detektorer - eller udføre halvledereksperimenter, hvilket ikke ville have været muligt med de rene grundmaterialer.

Forsker i stabile systemer

Hos Empa, Siol vil bringe sin erfaring med at lave "umulige" oxidlegeringer på bordet. Han har til formål at opdage oxidblandinger med en variabel struktur og dermed stabilisere dem i en sådan grad, at de bliver egnede til hverdagsbrug. Laboratoriet for sammenføjningsteknologier og korrosion under ledelse af Lars Jeurgens har masser af erfaring i praktiske anvendelser af stabile oxidlag og legeringer. Det første fokus er på blandede oxider lavet af titanium og wolframoxid, som kunne være af interesse for vinduesbelægninger, halvlederteknologi eller sensorteknologi. Siols kollega Claudia Cancellieri har i flere år forsket i de elektroniske egenskaber af oxidgrænseflader og bidrager med sin ekspertise til projektet.

"Materialekombinationen er meget spændende, " forklarer Siol. Titaniumoxider er ekstremt stabile og bruges i solceller, vægmaling og tandpasta. Wolfram oxider, på den anden side, er forholdsvis ustabile og bruges til smarte vinduer, gassensorer eller som katalysatorer i petrokemi. "I fortiden, forskning fokuserede ofte udelukkende på at optimere materialeegenskaber, " siger Siol. "Det er afgørende, imidlertid, at materialet kan bruges i flere år inden for det respektive anvendelsesområde." dette ville være vigtigt for halvlederbelægninger i elektrokrome vinduer, som skal holde i årtier i aggressive miljøer, udsat for sollys og temperaturudsving. Empa-forskerne søger denne langsigtede stabilitet.

For at producere disse oxidfaser bruger Siol og hans kolleger forskellige industrielt skalerbare teknikker:kontrolleret oxidation af tynde metalfilm i en rørovn eller elektrolytopløsning, samt reaktiv sputtering, hvor metallerne oxideres direkte under aflejringsprocessen. "umulige" oxidlegeringer, emnet for grundforskning indtil nu, bliver således gradvist håndgribelige til industrielle anvendelser.