Svage kræfter er stærke nok til at justere halvledernanopartikler

Et PNNL-forskerhold har opdaget, at atomkræfter, der menes at være "svage", faktisk kan udøve mere kontrol, end man har forstået. Og den nye opdagelse, offentliggjort 25. februar i tidsskriftet Naturkommunikation , kunne hjælpe med bedre at forudsige og i sidste ende kontrollere fremstillingen af ​​halvledermaterialer, der bruges i elektronik og andre industrielle applikationer.

Materialeforskerne Lili Liu og Elias Nakouzi ledede et tværfagligt team, der udforskede dannelsen af ​​zinkoxid, et utroligt alsidigt stof, der bruges i en række produkter, fra bleudslætscreme til halvledere. Mens den molekylære formel (ZnO) forbliver den samme, hvordan molekylerne justeres bestemmer deres egenskaber.

"Traditionelt krystalvækst er antaget at forekomme ved tilsætning af individuelle atomer, " sagde Liu. "Men krystaller kan også vokse på en anden måde. Individuelle nanopartikler kan blive byggestenene, der knytter sig til hinanden for at danne en større krystal. Dette kaldes orienteret tilknytning, og vi undersøgte, hvordan det fungerer under vækst af zinkoxid."

Forskerne brugte en kombination af ekstrem høj opløsning transmissionselektronmikroskopi og matematiske simuleringer til at forklare deres resultater. Den unikke synergi mellem disse værktøjer gjorde det muligt for forskerne at nærme sig problemet fra flere vinkler.

"Partiklerne er som minimagneter, med den ene ende positiv, den anden negativ, danner det, der kaldes en dipol", sagde Nakouzi. "Vi opdagede, at en svag, langtrækkende drivkraft kaldet en dipol-dipol-interaktion kan justere partiklerne over længere afstande, end man troede var muligt. Fordi en dipol virker som en magnet, at interaktion skaber et drejningsmoment, der justerer partikler. Derefter, når de kommer tæt nok sammen, de klikker på plads. Denne mekanisme er ikke blevet visualiseret før."

For at sikre deres tillid til observationen, forskerne optimerede opløsningsmiddel- og saltkoncentrationerne, som forhindrede nanopartikelkrystaller i at opløses og muliggjorde observation af partikelvedhæftning.

Forskningen giver svar på mangeårige spørgsmål om krystallisationsmekanismer, specifikt ikke-klassisk krystallisation via orienteret vedhæftning. Dens grundlæggende karakter betyder, at den ikke umiddelbart kan oversættes til produktudvikling eller teknologiske anvendelser, og resultaterne skal bekræftes i andre typer krystalstrukturer, sagde Nakouzi. Men krystallisering sidder ved krydsfeltet mellem flere forskningsproblemer, og forskerholdet forudser bred betydning af disse resultater i materialesyntese og miljøledelsesapplikationer.

"Tilgange til fremstilling af materialer baseret på samling af nanopartikler rummer et enormt potentiale for at opnå nye eller forbedrede egenskaber til en bred vifte af energianvendelser fra solenergi til batterier til katalysatorer, " sagde James DeYoreo, en Battelle Fellow ved PNNL og seniorforsker i forskerholdet. "En forståelse af, hvordan samleprocessen fungerer, og hvordan den kan kontrolleres, er afgørende for at realisere dette potentiale. Resultaterne af denne undersøgelse afslører en af ​​de vigtigste kontroller på nanopartikelsamling for en vigtig klasse af halvledermaterialer og foreslår en enkel tilgang til styring processen."