Skru op for varmen for at skabe nye nanostrukturerede metaller

Forskere har udviklet en ny tilgang til fremstilling af metal-metal-kompositter og porøse metaller med en 3-D-sammenkoblet "bikontinuerlig" struktur i tynde film i størrelsesskalaer fra snesevis af nanometer til mikron. Metalliske materialer med denne svampeagtige morfologi-præget af to sameksisterende faser, der danner interpenetrerende netværk, der fortsætter over rummet-kan være nyttige i katalyse, energiproduktion og -lagring, og biomedicinsk sansning. Kaldes tyndfilm solid-state grænsefladedelegering (SSID), tilgangen bruger varme til at drive en selvorganiserende proces, hvor metaller blandes eller afblandes for at danne en ny struktur. Forskerne brugte flere elektron- og røntgenbaserede teknikker ("multimodal analyse") til at visualisere og karakterisere dannelsen af ​​den bikontinuerlige struktur.

"Opvarmning giver metallerne noget energi, så de kan interdiffuse og danne en selvbærende termodynamisk stabil struktur, " forklarede Karen Chen-Wiegart, en assisterende professor i Stony Brook University (SBU) Materials Science and Chemical Engineering Department, hvor hun leder Chen-Wiegart Research Group, og en videnskabsmand ved National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - et US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility ved Brookhaven National Laboratory. "SSID er tidligere blevet påvist i bulkprøver (tivis af mikrometer og tykkere), men resulterer i en størrelsesgradient, med en større struktur på den ene side af prøven og en mindre struktur på den anden side. Her, for første gang, vi demonstrerede med succes SSID i en fuldt integreret tyndfilmsbehandling, resulterer i en homogen størrelsesfordeling over prøven. Denne homogenitet er nødvendig for at skabe funktionelle nanostrukturer."

Chen-Wiegart er den tilsvarende forfatter på et papir offentliggjort online i Materialer Horisonter der er omtalt på 18. november online-tidsskriftets forside. De andre samarbejdende institutioner er Center for Functional Nanomaterials (CFN) - en anden DOE Office of Science User Facility på Brookhaven Lab - og National Institute of Standards and Technology (NIST).

For at demonstrere deres proces, forskerne forberedte magnesium (Mg) og jern (Fe) og nikkel (Ni) legering tynde film på silicium (Si) wafer substrater i CFN Nanofabrication Facility. De opvarmede prøverne til høj temperatur (860 grader Fahrenheit) i 30 minutter og kølede dem derefter hurtigt ned til stuetemperatur.

"Vi fandt ud af, at Mg diffunderer ind i Fe-Ni-laget, hvor det kun kombineres med Ni, mens Fe adskilles fra Ni, " sagde førsteforfatter Chonghang Zhao, en ph.d. studerende i Chen-Wiegart Research Group. "Denne faseadskillelse er baseret på entalpi, en energimåling, der afgør, om materialerne "glædeligt" blandes eller ej, afhængig af egenskaber såsom deres krystalstruktur og bindingskonfigurationer. Nanokompositten kan behandles yderligere for at generere en nanoporøs struktur gennem kemisk fjernelse af en af ​​faserne."

Nanoporøse strukturer har mange anvendelser, herunder fotokatalyse. For eksempel, disse strukturer kunne bruges til at fremskynde reaktionen, hvor vand spaltes til oxygen og brint - et rent brændende brændstof. Fordi katalytiske reaktioner sker på materialeoverflader, porernes høje overfladeareal ville forbedre reaktionseffektiviteten. Ud over, fordi de nanosiserede "ledbånd" iboende er forbundet med hinanden, de behøver ingen støtte for at holde dem sammen. Disse forbindelser kunne give elektrisk ledende veje.

Holdet identificerede den delegerede bikontinuerlige struktur af Fe og Ni-Mg gennem komplementære elektronmikroskopiteknikker ved CFN- og røntgensynkrotronteknikker ved to NSLS-II-strålelinjer:Hard X-ray Nanoprobe (HXN) og Beamline for Materials Measurement (BMM) ).

"Ved brug af scanningstilstand i et transmissionselektronmikroskop (TEM), vi rastede elektronstrålen over prøven på specifikke steder for at generere 2-D elementære kort, der viser den rumlige fordeling af elementer, "forklarede Kim Kisslinger, en teknisk associeret i forskningsgruppen CFN Elektronmikroskopi og kontaktpunktet for instrumentet.

Holdet brugte også TEM til at opnå elektrondiffraktionsmønstre, der fanger krystalstrukturen og et scanningselektronmikroskop (SEM) til at studere overflademorfologi.

Denne indledende analyse gav bevis for dannelsen af ​​en bikontinuerlig struktur lokalt i 2-D ved høj opløsning. For yderligere at bekræfte, at den bikontinuerlige struktur var repræsentativ for hele prøven, holdet vendte sig til HXN beamline, som kan levere 3D-information over en meget større region.

"Med HXN, vi kan fokusere hårdt, eller høj energi, røntgenstråler til en meget lille plet på omkring 12 nanometer, " sagde medforfatter og HXN-fysiker Xiaojing Huang. "Den verdensledende rumlige opløsning af hård røntgenmikroskopi ved HXN er tilstrækkelig til at se prøvens mindste strukturer, som varierer i størrelse fra 20 til 30 nanometer. Selvom TEM giver højere opløsning, synsfeltet er begrænset. Med røntgenmikroskopet, vi var i stand til at observere 3D-elementfordelingerne inden for et større område, så vi kunne bekræfte homogeniteten."

Målinger ved HXN blev udført på en multimodalitetsmåde, med den samtidige samling af røntgenspredningssignaler, der afslører 3-D struktur og fluorescenssignaler, der er elementfølsomme. Atomer udsender fluorescens, når de hopper tilbage til deres laveste energi (jord) tilstand efter at være blevet exciteret til en ustabil højere energi tilstand som reaktion på røntgenenergien. Ved at detektere denne karakteristiske fluorescens, videnskabsmænd kan bestemme typen og den relative overflod af elementer, der er til stede på bestemte steder.

Medforfatter og NIST Synchrotron Science Group-fysiker Bruce Ravel bekræftede prøvens kemiske sammensætning og opnåede de præcise kemiske former (oxidationstilstande) af grundstofferne ved BMM, som er finansieret og drevet af NIST. X-ray absorption near-edge structure (XANES) spektre viste også tilstedeværelsen af ​​ren Fe.

Nu hvor forskerne har vist, at SSID virker i tynde film, deres næste skridt er at adressere de "parasitiske" begivenheder, de identificerede i løbet af denne undersøgelse. For eksempel, de opdagede, at Ni diffunderer ind i Si-substratet, fører til tomrum, en slags strukturel defekt. De vil også lave porestrukturer af metal-metal-kompositterne for at demonstrere anvendelser såsom fotokatalyse, og anvende deres tilgang til andre metalsystemer, inklusive titanium-baserede.