Forskere observerer strukturelle transformationer i enkelte nanokrystaller

Mens en film om kæmpe robotter, der gennemgår strukturelle transformationer, slår billetkontorrekorder i sommer, en videnskabelig undersøgelse om strukturelle transformationer inden for enkelte nanokrystaller bryder ny jord for design af nye materialer, der skal betjene næste generations energilagringsbatterier og høstenheder til solenergi. Forskere ved US Department of Energy (DOE) s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har rapporteret den første direkte observation af strukturelle transformationer inden for en enkelt nanokrystal af kobbersulfid, en halvleder, der forventes at spille en vigtig rolle i fremtidens energiteknologier.

Brug TEAM 0.5, et af verdens mest kraftfulde transmissionselektronmikroskoper, en forskergruppe ledet af Berkeley Lab -direktør Paul Alivisatos, observerede strukturelle udsving i en kobbersulfid-nanokrystal, da den overgik mellem lav- og høj-chalcocit-fastfasefaserne. Disse udsving er meget relevante for at forstå sådanne fænomener som hvordan ion

transport sker inden for elektroder under opladning og afladning af batterier, eller hvordan strukturerne i et fast materiale kan ændre sig ved grænsefladen mellem en elektrode og en elektrolyt.

"TEAM 0,5, med sin avancerede elektronoptik og optagelsessystemer, muliggør hurtig prøvebilleddannelse med enkeltatomfølsomhed på tværs af det periodiske system og større opsamlingseffektivitet. Dette giver ekstraordinære muligheder for at studere strukturelle transformationsdynamikker in situ med atomopløsning, "Siger Alivisatos.

"I dette studie, "tilføjer han, "vi observerede strukturelle transformationsdynamikker i en kobbersulfid-nanorod fra en lav- til en højkalcocitstruktur med enestående detaljer, og fandt denne dynamik stærkt påvirket af defekter i nanorodkrystallen. Vores resultater tyder på strategier til at undertrykke eller assistere sådanne transformationer, der skal hjælpe i det fremtidige design af materialer med nye og kontrollerede faser. "

Det populære begreb om faseovergange er materialets, som reaktion på temperaturændringer, undergår en transformation fra et fast stof til en væske eller gas, dvs. is til vand til damp. Men nogle faste materialer, især i nanoskalaen, når de udsættes for temperaturændringer kan overgangen mellem to flere forskellige faser i deres krystalstruktur. Kobbersulfid, for eksempel, kan transformeres fra en kompleks sekskantet struktur kendt som lav-chalcocitfasen, til en mere simpel sekskantet struktur kendt som high-chalcocite-fasen. Fordi sådanne "førsteordens strukturelle transformationer" kan ændre egenskaberne for en nanokrystal, de er af stor interesse for en bred vifte af videnskabelige områder og har vigtige konsekvenser for talrige teknologier.

"I nanoskala systemer, den energiske barriere for en strukturel transformationsskala med krystalstørrelse, "siger Alivisatos." Når størrelsen på en nanokrystal er i et regime, hvor termisk energi er sammenlignelig med energibarrieren for fasetransformation, udsving mellem to stabile strukturer forekommer ved overgangsstedet, og er relevante for mange molekylære og solid-state fænomener nær ligevægt. "

Alivisatos, Larry og Diane Bock, professor i nanoteknologi ved University of California (UC) Berkeley, er en tilsvarende forfatter til et papir i tidsskriftet Videnskab med titlen "Observation of Transient Structural-Transformation Dynamics in a Cu2S Nanorod."

Medforfatter af dette papir var Haimei Zheng, Jessy Rivest, Timothy Miller, Bryce Sadtler, Aaron Lindenberg, Michael Toney, Lin-Wang Wang og Christian Kisielowski.

"Under faseovergange af kobbersulfid mellem lav-chalcocit og high-chalcocit struktur, svovlionerne forbliver i en stiv gitterramme, mens kobberionerne bevæger sig inden i svovliongitteret, "siger Haimei Zheng, leder og medkorresponderende forfatter af Science-papiret.

"Vi observerede, hvor fasen nukleerer på overfladen af ​​nanoroden og inden i kernen, og hvordan fasetransformationen formerer sig, "Siger Zheng." Vi observerede også virkningerne af defekter. For eksempel, vi observerede, at en stablingsfejl skaber en barriere for kobberioners bevægelse og derved blokerer faseudbredelsen. Sådanne observationer giver os vigtig ny indsigt i atombanerne ved førsteordens strukturelle transformationer. "

Ifølge faseovergangsteori, en fast krystal vil svinge mellem to ligevægtsstrukturer nær fasen
overgangspunkt, før du når en stabil konfiguration, og at denne overgangsregion udvider sig i små krystaller. For at teste denne teori, Zheng, Alivisatos og deres medforfattere zappede kobbersulfid-nanoroder med en elektronstråle fra TEAM 0.5-mikroskopet og så efter og så de forudsagte udsving.

"Før TEAM -mikroskoperne, sådanne detaljer om udsvingene mellem to solid-state faser i en nanokrystal kunne ikke have været observeret, "siger Zheng." Vores resultater burde være af interesse for teoretikere, der forsøger at simulere strukturelle transformationer i faste stoffer, da hverken en undersøgelse af bulkmaterialer eller ensemblet af nanomaterialer har evnen til at afsløre sådanne specifikke træk ved faseovergangsvejene. "

TEAM står for Transmission Electron Aberration-corrected Microscope. TEAM 0.5 og dets søsterinstrument TEAM 1.0 er i stand til at producere billeder med en halv angstrom -opløsning - mindre end diameteren på et enkelt hydrogenatom. Begge mikroskoper er anbragt på Berkley Lab i DOE's National Center for Electron Microscopy (NCEM).

Det næste trin for hende, Zheng siger, vil være at behandle spørgsmål vedrørende transport af ioner med ændringer i batterimateriale ved elektrode/elektrolytgrænsefladen, og strukturelle ændringer af nanopartikelkatalysatorer.

"Sådanne undersøgelser deler det samme mål om at udvikle mikroskopisk forståelse af materialers strukturelle transformationer, især dem, der er vigtige for energianvendelser, "Zheng siger." In situ transmissionselektronmikroskopi, især vores seneste tekniske fremskridt inden for dynamisk billeddannelse gennem væsker eller gasser, såvel som ved den anvendte elektriske forspænding, giver et stærkt værktøj til sådanne undersøgelser. "