Ultratynde membraner til afdækning af atomskalaproblemet under operando-forhold

Siliciumnitridfilmen, der tjener som en indkapslingsmembran, kan bekvemt fremstilles med en tykkelse i intervallet nogle få snese nanometer ved hjælp af en kemisk dampaflejringsproces. Disse film udviser rimelig modstandsdygtighed over for mekaniske stød, især når de har mere end en vis tykkelse, selvom der er en afvejning af elektrongennemsigtighed.

Analogt med et akvarium med en glasvæg, der er flere meter tyk, som kan være robust nok til at indeholde store mængder vand, bliver det udfordrende at maksimere synlighed gennem glasset. Derfor er konstruktion af "væggen" afgørende for at sikre optimal synlighed i både akvarier og væskebeholderen til ACEM.

For at løse denne udfordring henter vi inspiration fra bikuben, en struktur, der modstår høj mekanisk belastning, mens der bruges minimalt materiale. Vores løsning involverer at skabe et rumudfyldende sekskantet støttesystem ved hjælp af stærkt doteret silicium under det ultratynde siliciumnitrid, hvilket opnår dette med kun 1/5 af tykkelsen til den konventionelle metode.

Den bikubelignende struktur maksimerer åbningen til at observere reaktionerne og giver optimal styrke under mekanisk belastning. Gennem dette ultratynde gennembrud kan membranen fortyndes ned til en encifret nanometerskala - cirka 1/10.000 af tykkelsen af ​​et menneskehår uden at opleve brud eller lækager i mikroskopet.

Gennemsigtigheden af ​​den ultratynde membran giver mulighed for kortlægning af væsker med sub-nanometer rumlig opløsning og betydelig undertrykkelse af den negative elektronspredning, en evne, der ikke kan opnås med konventionelle omsluttende materialer. Dette gennembrud muliggør følsomhed i gasfasen i den grad at detektere en håndfuld gasmolekyler inde i transmissionselektronmikroskopet (TEM). Dette niveau af følsomhed gør det muligt at opfange reaktioner, der forekommer ved gas-faststof-grænsefladen med tidsopløsning i mikrosekund.

Som et illustrativt eksempel visualiserer vi indsættelsen af ​​hydrogenatomer i palladiummetal under omgivende temperatur- og trykforhold. Denne teknologi rummer et enormt potentiale til at udvikle og undersøge nanokatalysatorer til kulstoffangst i gasfase, såvel som for energimaterialer såsom brændselsceller og metal-luft-batterier, hvilket giver indsigt i atomskala. Vores arbejde er publiceret i tidsskriftet Science Advances .

Selvom vi opererer i en anden skala og omfang, trækker vi en parallel mellem denne udvikling og de banebrydende muligheder i James Webb Space Telescope (JWST), som leverer hidtil usete billeder og data, der udfordrer kosmologiske teorier. Desuden foreslår vi, at denne innovative strategi til design af mikrochips med ultratynde membraner kan udvides til forskellige applikationer, hvor de tynde membraner tjener som indkapslinger og/eller støttematerialer, med implikationer, der strækker sig ud over nanovidenskabens område.

Denne historie er en del af Science X Dialog, hvor forskere kan rapportere resultater fra deres publicerede forskningsartikler. Besøg denne side for at få oplysninger om ScienceX Dialog og hvordan du deltager.

Flere oplysninger: Kunmo Koo et al., Ultratynd siliciumnitrid-mikrochip til in situ/operando-mikroskopi med høj rumlig opløsning og spektral synlighed, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj6417

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Dr. Kunmo Koo er forskningsmedarbejder i NUANCE Center. Dr. Xiaobing Hu er forskningslektor ved afdelingen for materialevidenskab og teknik og TEM Facility Manager ved NUANCE center. Dr. Vinayak P. Dravid er Abraham Harris professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab og stiftende direktør for NUANCE Center.