Tynd film producerer ny kemi i nanoreaktor

Fysikere ved University of Groningen og FOM Foundation, ledet af professor Beatriz Noheda, har opdaget en ny manganforbindelse, der frembringes ved spændinger i krystalstrukturen af ​​terbiummanganoxid. Teknikken, de brugte til at skabe dette nye materiale, kunne åbne vej for nye nanoskala kredsløb. Deres resultater blev offentliggjort den 20. november 2014 i tidsskriftet Natur .

Forskerne voksede et meget tyndt lag (ikke mere end et par dusin atomer tykke) af terbiummanganoxidkrystallen på et tykkere bundlag af strontiumtitanoxid. Dette grundlag påvirker væksten af ​​det tynde lag. Når stykker af voksende krystal mødes, en grænseflade eller 'domænevæg' udvikler sig, og krystalstrukturen kommer under trækbelastning i denne væg.

Nanoreaktor

Indtil for et par år siden, materialeforskere, da de lavede meget tynde lag, forsøgte at forhindre domænevægge i at opstå på grund af denne trækbelastning. "Domænemure blev set som forurening", siger Noheda. Derefter blev det klart, at spændingen i krystalstrukturen faktisk investerede materialet i nye egenskaber, og, som det nu er blevet tydeligt, domænevæggen kan blive en kemisk reaktor i nanoskala.

Vægge

Groningen -forskerne har fået meget ekspertise i at kontrollere, hvor mange domænemure der udvikler sig. Grundlagets sammensætning påvirker dette, for eksempel, og jo tyndere krystallaget er, jo større antal vægge der opstår.

"Ved siden af ​​at kontrollere, hvor mange vægge der udvikles, en yderligere betydelig udfordring var at analysere præcis, hvad der sker i en væg, da dette generelt kun er et atom tykt ", siger Noheda. En måde at analysere materialet i væggen på er at sammenligne prøver, der består af forskellige vægge. Forskerne så, at jo flere vægge der var, jo mere magnetisk var materialet. "Direkte observation af et magnetfelt er endnu ikke muligt på atomskalaen, især ikke i en isolator ", siger Noheda.

Zigzag linje

En avanceret atomopløselig kemisk analyse blev brugt til at vise, at krystallets sammensætning i væggene havde ændret sig:på bestemte steder havde et manganatom taget stedet for et større terbiumatom. Terbiumatomet danner en slags zigzaglinje i krystalstrukturen. To modsatte zigzags mødes i domænevæggen, hvilket får nogle af terbiumatomerne til at komme meget tæt på. "Dette skaber betydelig spænding, terbiumatomet forsvinder fra krystallen, og et mindre manganatom tager sin plads ", forklarer Noheda. I modsætning til den normale krystal, denne ekstra mangan gør væggen magnetisk.

Ny kemi

Professor Maxim Mostovoy modellerede magnetismen, og hans resultater matcher resultaterne af eksperimentet:"En binding, der endnu ikke er beskrevet, opstår mellem fem manganatomer. Vi ser derfor ny kemi i domænevæggen." Dette gør domænevæggen til en slags kemisk reaktor i nanoskala. "Og vi formoder, at denne form for ny binding vil forekomme i alle krystaller med denne zigzagstruktur."

Kredsløb

Noheda håber i yderligere forskning at skabe vægge med potentiale til at danne kredsløb. Minutkredsløb med kun få atomer i størrelse kunne derefter udvikle sig. "Men jeg håber også, at kemikere vil begynde at arbejde med disse nanoreaktorer."

Beatriz Noheda og Maxim Mostovoy arbejder begge på Zernike Institute for Advanced Materials, del af University of Groningen's fakultet for matematik og naturvidenskab. Forskningen blev finansieret af NanoNextNL og af FOM Foundation.