Nanomaterialer:Lysafhængige atomklynger til registreringsapplikationer

I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Nature Asia Materials , Kenshi Harada og et team inden for materialevidenskab og analytisk videnskab i Japan og Frankrig dannede en ny miljøfølende enhed, der udforskede de opto-ionisk-elektroniske fænomener af et oktaedrisk molybdænmetal (Mo₆ ) klynge. Holdet byggede disse nanomaterialer eller atomklynger med metalatomer bundet til hinanden med tilhørende ikke-metalliske atomer. De ændrede materialernes egenskaber til en række forskellige anvendelser ved at tilføje funktionelle stoffer. I dette arbejde har Harada et al. udviklet gennemsigtige film lavet af indiumtinoxid, hvorpå de aflejrede hexamolybdæn-atomklynger for at undersøge fugtigheden og temperaturens afhængighed af filmenes elektriske egenskaber og for at forstå, hvordan deres ledningsevne ændrede sig med varierende lysforhold. Det innovative materiale har applikationer som en atmosfærisk sensor.

Materialteknik til at designe nye nanomaterialer

Metaller, halvledere, keramik og polymerer giver alle anledning til funktionelle materialer med potentiale til at udvikle nye teknologier. Materialer, der omdanner energi, kan bruges bredt i hverdagssituationer, og forskere sigter mod at bibringe mere avancerede egenskaber til enheder, herunder piezoelektriske, termoelektriske, gassensorer og fotodioder til bæredygtige funktioner. Multifunktionel materialeudvikling koblet til enhedsminiaturisering kan føre til brugen af ​​et enkelt produkt til at udvide applikationer inden for sansning og belysning. Harada et al. fokuseret på metalatomklynger anerkendt som multifunktionelle byggesten af ​​nanomaterialer til at designe nye smarte enheder. De undersøgte temperaturafhængigheden af ​​elektroniske egenskaber af en gennemskinnelig molybdænmetalklynge fremstillet via elektroforetisk aflejring sammen med egenskaber af materialers ledningsevne under lysbestråling. Derefter ved hjælp af massespektrometri bestemte de den kemiske sammensætning af metalklyngen og beskrev de elektroniske egenskaber for at forstå lysbestrålingens indflydelse på elektroniske og ioniske egenskaber.

Harada et al. først karakteriserede overfladefilmen ved hjælp af et scanningselektronmikroskop. Dernæst kvantificerede de ionmobilitetsspektrometri-massespektrometri for at understøtte hypotesen om ionbytning under elektroforetisk aflejring. Baseret på resultaterne viste ionmobilitetsspektrometrien, hvordan disse ligandudvekslingsreaktioner ikke væsentligt påvirkede molybdænklyngegeometrien. De undersøgte derefter temperatur- og fugtafhængigheden under elektrisk ledningsevne i molybdænklyngefilmen og viste, at klyngefilmens elektroniske modstand var temperaturafhængig. Efterhånden som temperaturen steg, faldt den elektroniske modstand. Holdet observerede derefter lignende aktiveringsenergier for molybdænklyngefilm fremstillet med forskellige afsætningstider for at antyde, hvordan elektroniske egenskaber ikke blev påvirket af filmtykkelse. Harada et al. tegnede sig også for impedansspektrene for klyngefilmen ved forskellig relativ fugtighed for at vise, at når den relative fugtighed faldt, steg den elektroniske modstand.

Afslapnings-frekvensafhængighed af molybdænklyngefilmen og andre egenskaber.

Harada et al. dernæst observerede ledningsevnen af ​​klyngefilmen, som generelt afhang af antallet af hydronium (H₃ O ⁺ ) og hydroxid (OH ^- ) ioner dannet af hydrolysereaktionen under processen med elektroforetisk aflejring. Den lokale ændring af pH-værdien omkring elektroderne var en vigtig faktor under den elektroforetiske afsætningsproces, og holdet brugte hydroniumioner til at neutralisere molybdænklyngeanionerne og skabe yderligere klynger med potentielt stabile og neutraliserede komponenter. Forskerne nærmede sig derefter de elektroniske egenskaber af molybdænklyngefilmen under lysbestråling, som de karakteriserede via jævnstrømsmåling. De bemærkede elektrisk ledning via usammenhængende overgange af ladningsbærere mellem rumligt lokaliserede tilstande. Holdet observerede ændringer i lokale elektroniske egenskaber af klyngefilmen under bestråling via ultraviolette, røde og blå LED-lys under jævnstrøm. I hvert tilfælde udførte de lysbestråling i kun 30 sekunder efter en forløbet tid på 270 sekunder fra starten af ​​jævnstrømsspændingen. Harada et al. målte også impedansen af ​​klyngefilmen under UV, blåt og rødt lys. Fotonfluxtæthederne var ens under betingelserne af interesse. Den bemærkede øgede impedans, når prøverne blev bestrålet med UV og blåt lys, mens der ikke blev observeret væsentlige ændringer med rødt lys.

Outlook

Holdet videreudviklede en skematisk struktur af molybdænklyngen i filmen ud fra resultaterne og udførte adskillige eksperimenter med reproducerbare fænomener, der viste sig at være reversible. For eksempel har Harida et al. kunne genoprette reduceret lysbestråling til den oprindelige tilstand efter en times ækvilibrering. Da molybdænklyngen viste fotokatalytiske egenskaber, blev vandmolekyler og/eller hydroniumioner indeholdt i filmen nedbrudt i fotoreaktionen for nedsat ionledningsevne. Yderligere forskning viste også, hvordan molekylære strukturbaserede lag naturligt førte til iboende halvledende adfærd. Baseret på eksperimenterne fremhævede Kenshi Harada og kolleger afhængigheden af ​​fugtighed, bestrålet lysstyrke og bestrålingsbølgelængde af molybdænklyngefilmens elektroniske egenskaber. Holdet identificerede de mest fordelagtige egenskaber ved molybdænklyngen, herunder det store Stokes-skift, lang levetid og høj rød luminescerende effektivitet for at vise, hvordan den elektroforetiske aflejringsfilm dannede en lovende multifunktionel enhed til at føle fugt og UV. + Udforsk yderligere

Overraskende halvlederegenskaber afsløret med innovativ ny metode

© 2022 Science X Network