Das Formen von Nanodrähten spornt unerwartete Phasen an

Manchmal muss man ganz klein anfangen, um große Durchbrüche zu erzielen.

Eine Möglichkeit, wie Wissenschaftler das Beste aus bestimmten Quantenmaterialien herausholen können, besteht darin, nanoskalige Strukturen herzustellen, die neue Eigenschaften an den Oberflächen und Kanten des Materials erzeugen. Cornell-Forscher nutzten den relativ unkomplizierten Prozess des thermomechanischen Nanoformens, um einkristalline Nanodrähte herzustellen, die metastabile Phasen ermöglichen, die mit herkömmlichen Methoden nur schwer zu erreichen wären.

„Wir sind wirklich an dieser Synthesemethode des Nanoformens interessiert, weil sie es uns ermöglicht, viele verschiedene Arten von Materialien schnell und einfach im Nanomaßstab herzustellen, jedoch mit einer gewissen Kontrolle, die anderen Synthesemethoden für Nanomaterialien fehlt, insbesondere der Kontrolle über die Morphologie und die Größe “, sagte Judy Cha, Professorin für Materialwissenschaft und -technik an der Cornell Engineering, die das Projekt leitete.

Das Papier des Teams, „Nanomolding of Metastable Mo4P3“, wurde am 12 Gegenstand. Der Hauptautor des Papiers ist der Postdoktorand Mehrdad Kiani.

Beim thermomechanischen Nanoformen wird ein Material zu einem Schüttgut konsolidiert, in eine poröse Form gegeben und mehrere Stunden bei hohen Temperaturen gepresst. Die resultierende Struktur wird dann vom Ausgangsmaterial getrennt – in diesem Fall durch Ultraschallvibrationen, ein Prozess, der als Beschallung bekannt ist – und auf einem Siliziumwafer oder einer anderen Oberfläche abgeschieden.

Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass nanoskalige Mengen fester Materialien bei Temperaturen weit unter ihrem Schmelzpunkt geformt werden können, was einfache Verarbeitungsbedingungen darstellt. Dadurch kann eine breite Palette von Materialien für ungenutzte exotische Eigenschaften genutzt werden, ähnlich wie Graphen die Leitung in der Elektronik revolutioniert hat.

Chas Team hat mit Molybdänmonophosphid (MoP) experimentiert, einer topologischen Verbindung.

„Es wird vorhergesagt, dass topologische Metalle einen abnehmenden Widerstand haben, wenn Sie zu kleineren Größen gehen, und MoP ist nicht nur topologisch, sondern hat auch eine wirklich hohe Ladungsträgerdichte (Elektronen pro Volumen), was weiter dazu beitragen sollte, den Widerstand zu senken“, sagte Kiani.

Cha und ihr Team haben zuvor gezeigt, dass das Nanoformen topologischer Nanodrähte die Entdeckung neuer elektrischer Eigenschaften für Anwendungen wie Quantencomputer, Mikroelektronik und Katalysatoren für saubere Energie beschleunigen könnte. Diese Nanodrähte würden sich besonders gut als Verbindungen zwischen den Milliarden von Transistoren in integrierten Schaltkreisen eignen.

Anfang dieses Jahres demonstrierte die Gruppe, dass MoP-Nanodrähte einen so niedrigen spezifischen Widerstand haben, dass sie Kupferverbindungen übertreffen.

„Das war eine überraschende Entdeckung“, sagte Cha. „Aber die Herausforderung bestand darin, dass wir MoP immer kleiner und kleiner machen mussten, und die Methoden, die wir bisher angewendet haben, brachten uns einfach nicht dorthin. Also kam eine Nanoformmethode und wir sahen darin einen Weg noch kleinere MoP-Nanodrähte herzustellen, um weiterhin zu prüfen, ob der spezifische Widerstand immer noch viel niedriger als bei Kupfer sein wird.“

Stattdessen stellten sie fest, dass der Nanodraht-Formprozess eine Kristallstruktur von MoP in eine andere Zusammensetzung umwandelte: Mo4P3.

„Das hatten wir nicht erwartet. Und noch überraschender war, dass diese Mo4P3-Phase keine stabile Phase ist, die man normalerweise bekommt“, sagte Cha. „Jetzt erkennen wir, dass dieses Formverfahren uns möglicherweise metastabile Phasen bescheren kann.“

Der spezifische Widerstand des metastabilen Mo4P3 war etwa 75 % höher als der von MoP, sodass MoP nach wie vor der vielversprechendste Kandidat für Verbindungen ist.

„Das erweitert unseren Forschungsraum für neue Materialien wirklich. Und wer weiß, welche Möglichkeiten es gibt?“ Cha sagte. „Als Graphen zum ersten Mal entdeckt wurde, war überhaupt nicht klar, dass wir es zum Beispiel in einem Golfball verwenden könnten, um über eine alltägliche Anwendung nachzudenken. Im Moment wollen wir das nächste Beispiel von Mo4P3 finden, einer anderen metastabilen Phase, die.“ wir können sie verhaften und dann zu Nanodrähten verarbeiten.“