Samarbejdsforskning kortlægger kursen til hundredvis af nye nitrider

Andriy Zakutayev ved, at oddsene for, at en videnskabsmand snubler over et nyt nitridmineral, er omtrent det samme som et skib, der rammer en tidligere uopdaget landmasse.

"Hvis du finder noget nitrid i naturen, det er sandsynligvis i en meteorit, " sagde Zakutayev, en videnskabsmand ved U.S. Department of Energy's (DOE's) National Renewable Energy Laboratory (NREL).

Dannes når metalliske grundstoffer kombineres med nitrogen, nitrider kan besidde unikke egenskaber med potentielle anvendelser, der spænder fra halvledere til industrielle belægninger. Én nitrid-halvleder fungerede som hjørnestenen i en Nobelprisvindende teknologi til lysdioder (LED'er). Men før nitrider kan tages i brug, de skal først opdages - og nu, forskere har et kort til at guide dem.

En banebrydende forskningsindsats, der involverer forskere ved NREL; Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL); University of Colorado, Boulder (CU); og andre partnerinstitutioner rundt om i landet har for nylig offentliggjort "A Map of the Inorganic Ternary Metal Nitrides, " som vises i Naturmaterialer . Papiret har et stort stabilitetskort over de ternære nitrider, fremhæve nitridsammensætninger, hvor eksperimentel opdagelse er lovende, og andre sammensætninger, hvor nitriddannelse ville være usandsynlig. For kemikere, der forsøger at skabe nye nitrider i laboratoriet, dette kort vil være et væsentligt værdifuldt værktøj.

Wenhao Sun, hovedforfatter af papiret og stabsforsker ved LBNL, sammenlignede materialeopdagelse med svundne dages verdensudforskning. "At sejle ind i det ukendte var en meget risikabel bestræbelse, "Sun forklarer, "og på samme måde udforskning af nye kemiske rum kan også være risikabelt. Hvis du går ind i laboratoriet og blander forskellige elementer sammen, du kan lave en ny sammensætning. Eller måske ikke. Hvis du ikke finder et nyt materiale, hvor du leder, det kan være et stort spild af tid og kræfter. Kort hjælper med at guide opdagelsesrejsende, så de kan navigere bedre. Her, vi byggede et kemisk kort til at guide den undersøgende syntese af nitrider."

En interaktiv version af kortet viser stabile ternære nitrider fremhævet med blåt, indikerer, at de er gode kandidater til eksperimentering.

Anden forskning finansieret af centret har opdaget nye måder at kombinere materialer til at danne legeringer, samt at syntetisere specifikke materialepolymorfer, der kunne danne grundlag for næste generations halvledere. Den nye nitridforskning følger flere års undersøgelse af metastabile materialer og potentialet for at bruge dem i forskellige teknologier, inklusive halvledere.

Udforskning af metastabile materialer

Metastabile materialer er dem, der, over tid, vil skifte til at blive mere stabil. Diamanter, for eksempel, er metastabile, da de til sidst ville blive til grafit, en mere stabil polymorf form af kulstof. Men den tid, der tager, er betydelig - millioner af år i dette eksempel - så forskere bør ikke udelukke brugen af ​​metastabile forbindelser.

"Hvis du kun laver materialedesign med stabile materialer, "Sol sagde, "dine valgmuligheder er begrænsede. Men hvis du begynder at tænke på, hvilke metastabile materialer der kan laves, du øger dit designrum."

"Vores EFRC-team satte sig for at inkludere metastabile forbindelser i materialedesign, " tilføjede Tumas. "Dette arbejde demonstrerer styrken af ​​samarbejder mellem teoretikere og eksperimentalister, kombinere beregningsmæssig, syntetisk, og karakteriseringsevner i en teamtilgang."

Ud over NREL, CU, og LBNL, videnskabsmænd fra Oregon State University og SLAC National Accelerator Laboratory lånte deres ekspertise i kortlægning, karakterisere, og forstå de potentielle nye nitrider. "Dette var i høj grad en holdindsats, " sagde Sun. "Det tog bestemt alle at arbejde sammen."

Før han påbegyndte sit igangværende samarbejde med NREL, Sun havde fastslået, at metastabile materialer tegnede sig for en betydelig del af nitridforbindelser, og offentliggjorde sine resultater i slutningen af ​​2016. "Efter det blev skrevet, det blev klart, at dette ville være en god teamindsats for at udforske nitrider, " sagde Sun. "NREL har lavet metastabile nitrider i mange år nu."

At, kombineret med NRELs demonstrerede evne til at syntetisere meget metastabile nitrid-tyndfilm (beskrevet i Zakutayevs 2016 review-artikel om dette emne), inspirerede en artikel om binære nitrider, som Sun, Zakutayev, og andre offentliggjort i 2017. Den nyligt publicerede forskning om ternære nitrider var det næste logiske skridt.

Verden af ​​ternære nitrider er ikke blevet grundigt udforsket, fordi forbindelserne - bestående af nitrogen og to metaller - er svære at syntetisere. Forudsigelsen af ​​de nye ternære nitrider var afhængige af computermaterialevidenskab, ved hjælp af maskinlæringsalgoritmer til at kortlægge tidligere ukendte rum. Dette fremskyndede processen sammenlignet med den traditionelle trial-and-error-metode.

Flere nitrider på horisonten

Selvom nitrogen er langt mere rigeligt i Jordens atmosfære end oxygen, det er betydeligt lettere for oxider at danne end nitrider. Efterlad et stykke jern udenfor, for eksempel, og til sidst vil den ruste, eller oxidere. Det skyldes, at bindingen mellem iltatomer let kan løsne sig. Men nitrogenatomer holder tæt.

"Oxider og nitrider har ofte en lignende kemi, " sagde Zakutayev, der arbejder på at udvikle nye materialer til vedvarende energiteknologier og har en dokumenteret track record i at syntetisere nitrider. "Men for hvert dokumenteret nitrid, der er 14 oxider. Hvis kemien er ens, der er ingen grund til, at der skal være mange af det ene og få af det andet. Det er en meget stor opdagelsesmulighed."

Før forskerne kunne kortlægge nitriderne, imidlertid, de skulle først forudsige nye nitridmaterialer. Ved at bruge high-throughput computational materialevidenskab, de overvejede først 6, 000 potentielle nitridforbindelser ved at erstatte kendte nitrider med nye grundstoffer. Efter at have kontrolleret stabiliteten af ​​disse mulige nitrider, de forudsagde 203 nye stabile ternære nitridforbindelser. Indtil nu, kun 213 stabile nitrider var kendt for at eksistere.

De første to ternære nitrider blev opdaget i 1927, og den tredje otte år senere. Siden da, nye nitrider er blevet opdaget sporadisk. Denne batch på 203 er langt det største antal potentielle nye nitrider identificeret på et enkelt år.

"Historisk set, nitrider opdages i en hastighed på tre eller fire om året, eksperimentelt set, " sagde Zakutayev.

Vejledt af kortet, Zakutayev og hans team var oprindeligt i stand til at syntetisere syv nye ternære nitrider i laboratoriet. Adskillige flere nitrider er blevet syntetiseret siden papiret blev skrevet.

Syntese beviser nøjagtigheden af ​​forudsigelser

"Indtil nu, vi slår tusind, sagde Holder, en forskningsprofessor, der har en fælles CU-NREL-ansættelse og er medforfatter til det nye papir. "Hvert ternært nitrid, vi forudsagde, kunne danne en stabil forbindelse."

Evnen til at syntetisere de syv nye nitrider, forfatterne nævnt i avisen, validerer forudsigelserne om eksistensen af ​​de andre nitrider "og fremhæver den værdifulde rolle, som opdagelse af datamateriel har i at accelerere eksplorativ syntese i nye kemiske rum."

Forskningen giver også en anden dimension til det periodiske system af grundstoffer ved at angive en gruppe af metallers tilbøjelighed til at danne stabile eller metastabile ternære nitrider. Kalk, for eksempel, skilte sig ud for sin evne til at skabe et nitrid. Det samme gjorde lithium. Forskerne var også i stand til at diskontere metaller, der ikke vil være nyttige i nitridforskning. "Guld ønsker ikke at kombinere med nitrogen, "Holder sagde, "og tilføjelse af endnu et metal vil ikke stabilisere det nok til at få det til at ske."

Nu besat med en større forståelse af nitrider, forskere kan komme videre med at bestemme deres bedste anvendelser. Nobelprisen i fysik i 2014 blev tildelt en trio af forskere, der kombinerede flere lag galliumnitrid for at opfinde en blå LED. Kobling af deres blå lys med effektive fosfor tillod skabelsen af ​​langtidsholdbare og energieffektive hvide LED-pærer. Nitrides-teamet ser endnu flere applikationer på – og ud over – horisonten.

"Sikkert, disse materialer har mange mulige nye funktionelle anvendelser, " sagde Sun. "Nogle af dem er halvledere, og andre kan være superledere. Mange af dem har måske applikationer, vi ikke engang har drømt om endnu. Der er mange retninger, det skal gå."