Utan tunna filmer, det skulle inte finnas någon modern elektronik eller högkvalitativa speglar. Halvledarchipsen som används i våra mobiltelefoner och datorer är beroende av tunna filmer gjorda av olika material, inklusive metalloxider som innehåller minst en metall samt syre.

Metalloxid tunna filmer fungerar som mer än bara ett lager inom elektronik. De har tillämpningar inom avkänning, katalys, och energilagring. Att skapa tunna filmer som kan ersätta vätskeskiktet i batterier eller främja specifika kemiska omvandlingar kräver att man förstår materialen på atomnivå. Vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), forskare undersöker hur man designar tunna filmer av metalloxid som kan utnyttjas för att producera ren energi.

"Jag tycker om att tänka på vad vi gör som att spraymåla ett mål med atomer, " sa PNNL materialforskare och laboratoriestipendiat Scott Chambers. Hans team använder en teknik, kallas molekylär strålepitaxi, för avsättning av grundämnen atom för atom ovanpå en fast kristall. Detta gör det möjligt för forskare att göra högkvalitativa, kristallina tunna filmer med exakt kontroll över deras sammansättning och struktur.

Till exempel, vissa tunna filmer leder alltid elektricitet och andra inte. Genom att stapla olika filmer, forskare kan ändra hur de reagerar på en elektrisk ström.

"Vår förmåga att utveckla avancerad energiteknik beror på hur väl vi kan göra tunna lager av material, sa Peter Sushko, en materialvetare vid PNNL.

Att göra extremt tunna oxidfilmer med hög precision kräver avancerad syntesutrustning. Denna utrustning flyttas till ett nytt och större laboratorium i PNNL:s Energy Sciences Center (ESC). Atomically Precise Materials-teamet använder för närvarande två molekylära strålepitaxisystem och ett pulserande laseravsättningsinstrument. Det planerade tillskottet av ytterligare ett instrument för pulserande laseravsättning kommer att utöka teamets kapacitet att skapa fler och olika experimentella tunna filmer.

Små förändringar i tunna filmer har betydande effekter

Le Wang, en PNNL materialforskare, ledde en nyligen genomförd studie som utnyttjade atomärt exakta tunna filmer för att göra stabila högpresterande katalysatorer. De upptäckte att variera sammansättningen av lantan nickeljärnoxid (LaNi _1-x Fe _x O ₃ eller LNFO) tunna filmer påverkar deras förmåga att omvandla vatten till syre. Denna reaktion är viktig för ren energiproduktion. LNFO har potential att minska behovet av eller ersätta dyra ädelmetallbaserade katalysatorer.

Tidigare forskning har visat att att ersätta en del av nickelet med järn i lantannickeloxid ökar materialets förmåga att generera syre. Dock, den exakta orsaken till denna ökade aktivitet var oklart.

PNNL-forskargruppen använde sina högprecisionsfilmer och instrumentering för att ta itu med denna osäkerhet. Arbetet, publiceras i Nanobokstäver , ger tydliga bevis och förklaringar till varför blandning av nickel och järn leder till effektivare syrebildning.

PNNL-forskarna syntetiserade en serie högkvalitativa LNFO-tunna filmer, från ren lantannickeloxid till lantanjärnoxid och en rad kompositioner däremellan. De gjorde också flera högkvalitativa standarder, allt mätt med samma utrustning, som gjorde det möjligt för forskare att inse små, men följdriktigt, förändringar i materialens elektroniska struktur.

De små förändringarna visade att järnet överförde några av sina elektroner till nickel i en process som kallas laddningsöverföring. Laddningsöverföringen gör det lättare för materialet att omvandla vatten till syre. Att identifiera denna tidigare osynliga laddningsöverföring gav forskare insikt i varför LNFO fungerar som en bättre katalysator.

Modellering för förståelse i atomskala

Teamet använder ett mångsidigt tillvägagångssätt i sin forskning. De syntetiserar nya material och karaktäriserar deras struktur i laboratoriet. Dock, bänkexperiment har gränser för hur mycket detaljer de kan avslöja. Lagets inte så hemliga vapen? Teori.

Att kombinera teori och experiment genererar djupare insikter i tunna oxidfilmer. Beräkningsmodellering ger insikt i hur atomer rör sig på filmytan och hur elektroner ordnar om på skalor som är mindre än en atoms diameter. I detta projekt, forskarna ville se om atomer i simulerad LNFO visade samma subtila tecken på laddningsöverföring som de observerade i labbet.

"Det var en spännande dag när vi fick tillbaka Peter [Sushko]s beräkningar och de matchade våra experimentella data så bra, " sa Wang. "Dessa resultat validerade verkligen vårt argument om vikten av avgiftsöverföring i LNFO."

Ser på framtiden för tunna filmer

Denna forskning kommer att fortsätta vid ESC, där stora fönster kommer att belysa ett nytt labbutrymme med hög synlighet. Alla som kommer in i ESC-lobbyn kommer att kunna se forskarna göra nya prover. "Vi ser fram emot det fönster till vår vetenskap som flytten kommer att ge besökare till ESC, ", sa Sushko. "Förutom det större laboratoriet och ytterligare instrumentering, vi ser alla fram emot att vara tillsammans i samma byggnad."

Strax? Forskarna planerar att delvis ersätta lantan med strontium i samma filmsystem, skapa en oxid med fyra olika metaller. Detta kommer att hjälpa teamet att ytterligare förstå förändringar i strukturerna och egenskaperna hos komplexa oxidfilmer. Att förstå sådana processer kommer att styra nya syntesansträngningar för att designa ännu bättre katalysatorer.