Krystallinsk nanobørste baner vejen til avanceret energi- og informationsteknologi

Et hold ledet af Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory syntetiserede en lille struktur med stort overfladeareal og opdagede, hvordan dens unikke arkitektur driver ioner på tværs af grænseflader for at transportere energi eller information. Deres "nanobørste" indeholder børster lavet af skiftende krystalplader med lodret justerede grænseflader og rigelige porer.

"Dette er store tekniske resultater og kan vise sig nyttige til at fremme energi- og informationsteknologier, " sagde ORNLs Ho Nyung Lee, der ledede undersøgelsen offentliggjort i Naturkommunikation . "Dette er et glimrende eksempel på arbejde, der kun er muligt med den unikke ekspertise og kapacitet, der er tilgængelig på nationale laboratorier."

Holdets forskere kommer fra DOE nationale laboratorier Oak Ridge og Argonne og Massachusetts Institute of Technology, eller MIT, University of South Carolina, Columbia, og University of Tennessee, Knoxville.

Børsterne af deres flerlagede krystal, eller "superkrystal, " dyrkes fritstående på et substrat. Tidligere ORNL-postdoc-stipendiat Dongkyu Lee syntetiserede superkrystallerne ved hjælp af pulseret laserepitaksi til at afsætte og opbygge skiftende lag af fluorit-struktur ceriumoxid (CeO) ₂ ) og bixbyit-struktur yttriumoxid (Y2O3). Realisering af børstehårene i nanoskala blev gjort mulig ved udviklingen af ​​en ny præcisionssyntesetilgang, der kontrollerer atomdiffusion og aggregering under væksten af ​​tyndfilmsmaterialer. Ved hjælp af scanningstransmissionselektronmikroskopi, eller STEM, tidligere ORNL postdoc-stipendiat Xiang Gao var overrasket over at opdage atomisk præcise krystallinske grænseflader i børsterne.

For at se fordelingen af ​​administrerende direktør ₂ og Y ₂ O ₃ i nanobørsten, ORNLs Jonathan Poplawsky målte prøver fra børstehårene ved hjælp af atomsondetomografi, eller APT, ved Center for Nanofase Materials Sciences, en DOE Office of Science User Facility på ORNL. "APT er den eneste tilgængelige teknik, der er i stand til at sondere de tredimensionelle positioner af atomer i et materiale med sub-nanometer opløsning og 10 ppm kemisk følsomhed, " sagde Poplawsky. "APT tydeliggør de lokale fordelinger af atomer inden for et objekt i nanostørrelse og var en fremragende platform til at give information om 3D-strukturen af ​​grænsefladen mellem ceriumoxid- og yttriumoxidlagene."

For et papir fra 2017, de ORNL-ledede forskere brugte epitaksi ved pulserende laseraflejring til præcist at syntetisere nanobørster med børster, der kun indeholdt én forbindelse. Til avisen 2020, de brugte den samme metode til at lag to forbindelser, Direktør ₂ og Y2O ₃ , fremstilling af de første hybride børster med grænseflader mellem de to materialer. Traditionelt, grænseflader er justeret lateralt ved at lægge forskellige krystaller i tynde film, hvorimod i den nye nanobørster, når de dyrkes på en bestemt overflade, grænseflader er justeret lodret gennem overfladeenergiminimering i børstehår, der kun er 10 nanometer brede - omkring 10, 000 gange tyndere end et menneskehår.

"Dette er en virkelig innovativ måde at bygge krystallinske nanoarkitekturer på, at give hidtil usete vertikale grænseflader, der aldrig blev anset for levedygtige, " sagde Ho Nyung Lee. "Du kan ikke opnå disse perfekte krystallinske arkitekturer fra nogen anden syntesemetode."

Han tilføjede, "Der er mange måder at bruge grænseflader på, Derfor sagde 2000 Nobelprisvinderen Herbert Kroemer:"grænsefladen er enheden." Konventionelt, aflejring af lag af tynde filmmaterialer på substrater skaber grænseflader, der er horisontalt justeret, lader ioner eller elektroner bevæge sig langs substratets 2-D plan. Den ORNL-ledede præstation er proof of concept, at det er muligt at skabe vertikalt justerede grænseflader, hvorigennem elektroner eller ioner kan transporteres ud af substratets plan. I øvrigt, Arkitekturer som nanobørsten kunne kombineres med andre nanoskalaarkitekturer for at skabe enheder til kvanteteknologier og sansning samt energilagring.

Den lave energikonfiguration af fluoritstrukturen forårsagede dannelsen af ​​unikke chevronmønstre, eller omvendte "V"-former. Et lille misforhold mellem forskellige strukturer af fluorit- og bixbyit-krystalunderenheder forårsager misforhold mellem de elektroniske ladninger ved deres grænseflader, får iltatomer til at forlade fluoritsiden, hvilket fører til dannelsen af ​​funktionelle defekter. De rum, der er tilbage, kan danne grænseflade-iltioner og skabe en kanal på atomare skala, hvorigennem ionerne kan strømme. "Vi bruger grænsefladerne ikke kun til kunstigt at skabe oxygenioner, men også at guide ionbevægelse på en mere bevidst måde, " sagde Lee.

Med hjælp fra ORNL's Matthew Chisholm, Gao brugte STEM til at afdække atomstrukturen af ​​krystal- og elektronenergitabsspektroskopi for at afsløre kemiske og elektroniske indsigter om grænsefladen. "Vi observerede, at en fjerdedel af iltatomerne går tabt ved grænsefladerne, " sagde Chisholm. "Vi blev også overraskede over chevronvækstmønsteret. Det var vigtigt i begyndelsen virkelig at forstå, hvordan grænsefladerne dannes i børsterne."

Nanobørsten har en høj porøsitet, og dens arkitektur er fordelagtig til applikationer, der kræver et stort overfladeareal for at maksimere elektroniske og kemiske interaktioner, såsom sensorer, membraner og elektroder. Men hvordan kunne forskerne bestemme porøsiteten af ​​deres materiale? Neutroner - neutrale partikler, der passerer gennem materialer uden at ødelægge dem - var et fremragende værktøj til at karakterisere porøsiteten af ​​bulkmaterialet. Forskerne brugte ressourcer fra Spallation Neutron Source, en DOE Office of Science brugerfacilitet på ORNL, for udvidet Q-område lille-vinkel neutronspredning, der bestemte den øvre grænse for porøsitet til at være 49 %. "Hurtigt voksede børster kan give omkring 200 gange så meget overfladeareal som en 2-D tynd film, " sagde ORNL medforfatter Michael Fitzsimmons.

Han tilføjede, "Det, vi lærer, kan fremme anvendelser af neutronvidenskab i processen. Mens tynde film ikke giver tilstrækkeligt overfladeareal til neutronspektroskopiundersøgelser, ORNLs nye nanobørstearkitektur gør, og kunne være en platform for at lære mere om grænsefladematerialer, når en endnu lysere neutronstråle bliver tilgængelig på SNS's Second Target Station, som er et finansieret byggeprojekt."

Teoretiske beregninger af materialesystemet fra det elektroniske og atomare niveau understøttede fund om ilt-tomrum skabelse ved grænsefladerne. MIT-bidragyder Lixin Sun udførte tæthedsfunktionelle teoriberegninger og molekylær dynamiksimuleringer under ledelse af Bilge Yildiz.

"Vores teoretiske beregninger afslørede, hvordan denne grænseflade kan rumme en meget anderledes kemi ved denne type unikke grænseflade sammenlignet med bulkmaterialer, " sagde Yildiz. MIT-beregningerne forudsagde den energi, der var nødvendig for at fjerne et neutralt oxygenatom for at danne en ledig plads tæt på grænsefladen eller i midten af ​​et ceriumoxidlag. "I særdeleshed, vi fandt ud af, at en stor del af oxygenioner fjernes ved grænsefladen uden at forringe gitterstrukturen."

Lee sagde, "Ja, disse kritiske grænseflader kan dannes inde i nanobrush-arkitekturer, hvilket gør dem mere lovende end konventionelle tynde film i mange teknologiske anvendelser. Deres meget større overfladeareal og større antal grænseflader - potentielt, tusindvis inde i hver børstehår – kan vise sig at være en game changer i fremtidige teknologier, hvor grænsefladen er enheden."

Titlen på papiret er "Kolossal ilttomgangdannelse ved en fluorit-bixbyite-grænseflade."