Ein von der University of Minnesota Twin Cities geleitetes Team hat eine einzigartige, bahnbrechende Methode entwickelt, die es einfacher macht, hochwertige Metalloxid-Dünnfilme aus „hartnäckigen“ Metallen herzustellen, die in der Vergangenheit nur schwer zu synthetisieren waren atomar präzise Weise. Diese Forschung ebnet den Weg für Wissenschaftler, bessere Materialien für verschiedene Anwendungen der nächsten Generation zu entwickeln, darunter Quantencomputer, Mikroelektronik, Sensoren und Energiekatalyse.
Die Arbeit der Forscher ist in veröffentlicht Natur-Nanotechnologie.
„Dies ist eine wirklich bemerkenswerte Entdeckung, da sie einen beispiellosen und einfachen Weg zur Steuerung der Materialsynthese auf atomarer Ebene aufzeigt, indem die Kraft der epitaktischen Spannung genutzt wird“, sagte Bharat Jalan, leitender Autor des Papiers und Professor und Shell-Lehrstuhl an der Universität des Minnesota Department of Chemical Engineering and Materials Science.
„Dieser Durchbruch stellt einen bedeutenden Fortschritt mit weitreichenden Auswirkungen auf ein breites Spektrum von Bereichen dar. Er bietet nicht nur ein Mittel zur atomar präzisen Synthese von Quantenmaterialien, sondern birgt auch ein immenses Potenzial für die Steuerung von Oxidations-Reduktions-Pfaden in verschiedenen Bereichen.“ Anwendungen, einschließlich Katalyse und chemische Reaktionen in Batterien oder Brennstoffzellen.“
„Hartnäckige“ Metalloxide, etwa auf Basis von Ruthenium oder Iridium, spielen in zahlreichen Anwendungen in der Quanteninformatik und Elektronik eine entscheidende Rolle. Ihre Umwandlung in dünne Filme stellt jedoch für Forscher eine Herausforderung dar, da die Oxidation von Metallen mithilfe von Hochvakuumverfahren inhärente Schwierigkeiten mit sich bringt.
Die Herstellung dieser Materialien beschäftigt Materialwissenschaftler seit Jahrzehnten. Obwohl es einigen Forschern gelungen ist, eine Oxidation zu erreichen, waren die bisher verwendeten Methoden kostspielig, unsicher oder führten zu einer schlechten Materialqualität.
Die Lösung der Forscher der University of Minnesota? Probieren Sie es aus.
Beim Versuch, Metalloxide mithilfe der konventionellen Molekularstrahlepitaxie zu synthetisieren, einer Niedrigenergietechnik, die einzelne Materialschichten in einer Ultrahochvakuumkammer erzeugt, stießen die Forscher auf eine bahnbrechende Entdeckung. Sie fanden heraus, dass die Einbeziehung eines Konzepts namens „Epitaxiespannung“ – das effektive Strecken der Metalle auf atomarer Ebene – den Oxidationsprozess dieser hartnäckigen Metalle erheblich vereinfacht.
„Dies ermöglicht die Erzeugung technologisch wichtiger Metalloxide aus hartnäckigen Metallen in Ultrahochvakuumatmosphären, was seit langem ein Problem darstellt“, sagte Sreejith Nair, Erstautor des Artikels und Doktor der Chemieingenieurwissenschaften an der University of Minnesota. Student. „Die aktuellen Syntheseansätze haben Grenzen, und wir müssen neue Wege finden, diese Grenzen weiter zu verschieben, damit wir Materialien von besserer Qualität herstellen können. Unsere neue Methode, das Material auf atomarer Ebene zu strecken, ist eine Möglichkeit, die Leistung des Stroms zu verbessern.“ Technologie.“
Obwohl das Team der University of Minnesota in diesem Artikel Iridium und Ruthenium als Beispiele verwendete, hat ihre Methode das Potenzial, atomar präzise Oxide aller schwer zu oxidierenden Metalle zu erzeugen. Mit dieser bahnbrechenden Entdeckung wollen die Forscher Wissenschaftler weltweit in die Lage versetzen, diese neuartigen Materialien zu synthetisieren.
Die Forscher arbeiteten eng mit Kollegen an der Auburn University, der University of Delaware, dem Brookhaven National Laboratory, dem Argonne National Laboratory und dem Labor von Professor Andre Mkhoyan vom Department of Chemical Engineering and Materials Science der University of Minnesota zusammen, um ihre Methode zu verifizieren.
„Als wir diese Metalloxidfilme mit sehr leistungsstarken Elektronenmikroskopen genau untersuchten, konnten wir die Anordnung der Atome erfassen und ihre Art bestimmen“, erklärte Mkhoyan. „Tatsächlich waren sie schön und regelmäßig angeordnet, wie es in diesen kristallinen Filmen sein sollte.“
Mehr Informationen:
Sreejith Nair, Technische Metalloxidation unter Verwendung epitaktischer Spannung, Natur-Nanotechnologie (2023). DOI: 10.1038/s41565-023-01397-0. www.nature.com/articles/s41565-023-01397-0