Kontrol af tynde film med atomisk spraymaling

Uden tynde film, der ville ikke være nogen moderne elektronik eller højkvalitetsspejle. De halvlederchips, der bruges i vores mobiltelefoner og computere, er afhængige af tynde film lavet af forskellige materialer, herunder metaloxider, der indeholder mindst ét ​​metal samt oxygen.

Metaloxid tynde film tjener som mere end blot et lag inden for elektronik. De har anvendelser inden for sansning, katalyse, og energilagring. At skabe tynde film, der kan erstatte væskelaget i batterier eller fremme specifikke kemiske transformationer, kræver forståelse af materialerne på atomniveau. På Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), forskere undersøger, hvordan man kan designe metaloxid tynde film, der kan udnyttes til at producere ren energi.

"Jeg kan godt lide at tænke på, hvad vi gør som at spraymale et mål med atomer, " sagde PNNL-materialeforsker og laboratoriestipendiat Scott Chambers. Hans team bruger en teknik, kaldet molekylær stråleepitaksi, til aflejring af grundstoffer atom for atom oven på en fast krystal. Dette gør det muligt for forskere at lave høj kvalitet, krystallinske tynde film med præcis kontrol over deres sammensætning og struktur.

For eksempel, nogle tynde film leder altid elektricitet, og andre gør ikke. Ved at stable forskellige film, forskere kan ændre, hvordan de reagerer på en elektrisk strøm.

"Vores evne til at udvikle avancerede energiteknologier afhænger af, hvor godt vi kan lave tynde lag af materialer, " sagde Peter Sushko, en materialeforsker ved PNNL.

Fremstilling af ekstremt tynde oxidfilm med høj præcision kræver avanceret synteseudstyr. Dette udstyr flyttes til et nyt og større laboratorium i PNNL's Energy Sciences Center (ESC). Atomically Precise Materials-teamet bruger i øjeblikket to molekylære stråleepitaxisystemer og et pulserende laseraflejringsinstrument. Den planlagte tilføjelse af endnu et pulserende laseraflejringsinstrument vil udvide holdets kapacitet til at skabe flere og anderledes eksperimentelle tynde film.

Små ændringer i tynde film har betydelige virkninger

Le Wang, en PNNL-materialeforsker, ledet en nylig undersøgelse, der udnyttede atomisk præcise tynde film til at lave stabile højtydende katalysatorer. De opdagede, at varierende sammensætning af lanthan nikkel jernoxid (LaNi _1-x Fe _x O ₃ eller LNFO) tynde film påvirker deres evne til at omdanne vand til ilt. Denne reaktion er vigtig for ren energiproduktion. LNFO har potentiale til at reducere behovet for eller erstatte dyre ædelmetal-baserede katalysatorer.

Tidligere forskning har vist, at udskiftning af noget af nikkelen med jern i lanthannikkeloxid øger materialets evne til at generere ilt. Imidlertid, den nøjagtige årsag til denne øgede aktivitet var uklar.

PNNL-forskerholdet brugte sine højpræcisionsfilm og -instrumenter til at løse denne usikkerhed. Arbejdet, udgivet i Nano bogstaver , giver klare beviser og forklaringer på, hvorfor blanding af nikkel og jern fører til mere effektiv iltdannelse.

PNNL-forskerne syntetiserede en serie af højkvalitets LNFO tynde film, fra ren lanthan nikkeloxid til lanthan jernoxid og en række sammensætninger derimellem. De lavede også flere høje kvalitetsstandarder, alle målt med det samme udstyr, der gjorde det muligt for forskerne at komme ind på små, men konsekvens, ændringer i materialernes elektroniske struktur.

De små ændringer viste, at jernet overfører nogle af dets elektroner til nikkel i en proces kendt som ladningsoverførsel. Ladningsoverførslen gør det lettere for materialet at omdanne vand til ilt. At identificere denne tidligere usete ladningsoverførsel gav forskerne indsigt i, hvorfor LNFO fungerer som en bedre katalysator.

Modellering til atom-skala forståelse

Holdet bruger en flerstrenget tilgang i sin forskning. De syntetiserer nye materialer og karakteriserer deres struktur i laboratoriet. Imidlertid, benchtop-eksperimenter har grænser for, hvor mange detaljer de kan afsløre. Holdets ikke-så-hemmelige våben? Teori.

Kombination af teori og eksperimenter genererer dybere indsigt i tynde oxidfilm. Beregningsmodellering giver indsigt i, hvordan atomer bevæger sig på filmoverfladen, og hvordan elektroner omarrangeres i skalaer, der er mindre end diameteren af ​​et atom. I dette projekt, forskerne ville se, om atomer i simuleret LNFO viste de samme subtile tegn på ladningsoverførsel, som de observerede i laboratoriet.

"Det var en spændende dag, da vi fik Peter [Sushko]s beregninger tilbage, og de matchede vores eksperimentelle data så godt, " sagde Wang. "Disse resultater validerede virkelig vores argument om vigtigheden af ​​afgiftsoverførsel i LNFO."

Ser på fremtiden for tynde film

Denne forskning vil fortsætte på ESC, hvor store vinduer vil sætte fokus på et nyt laboratorieområde med høj synlighed. Enhver, der kommer ind i ESC-lobbyen, vil kunne se forskerne lave nye prøver. "Vi er spændte på vinduet til vores videnskab, som flytningen vil give besøgende til ESC, " sagde Sushko. "Ud over det større laboratorium og yderligere instrumentering, vi glæder os alle til at være sammen i samme bygning."

Næste? Forskerne planlægger delvist at erstatte lanthan med strontium i det samme filmsystem, skabe et oxid med fire forskellige metaller. Dette vil hjælpe teamet med at forstå ændringer i strukturerne og egenskaberne af komplekse oxidfilm. Forståelse af sådanne processer vil guide nye syntesebestræbelser for at designe endnu bedre katalysatorer.