En illustration av hur kubisk titannitrid med ett förhållande mellan tre och fyra kan syntetiseras under extrema tryck och temperaturer i en laseruppvärmd diamantstädcell. Kredit:Venkata Bhadram.
Ett team av experimentella och beräkningsforskare ledda av Carnegies Tim Strobel och Venkata Bhadram har syntetiserat en länge eftertraktad form av titannitrid, Ti 3 N 4 , som har lovande mekaniska och optoelektroniska egenskaper.
Standard titannitrid (TiN), med ett en-till-ett-förhållande mellan titan och kväve, uppvisar en kristallstruktur som liknar bordssalt-natriumklorid, eller NaCl. Det är en metall med nötande egenskaper och används därför för verktygsbeläggningar och tillverkning av elektroder. Titannitrid med ett tre-till-fyra förhållande mellan titan och kväve, kallad titannitrid, har förblivit svårfångad, trots tidigare teoretiska förutsägelser om dess existens och det faktum att nitrider med detta förhållande har identifierats för de andra medlemmarna i titangruppen på periodtabellen, inklusive zirkonium.
Strobel och Bhadrams team—Carnegies Hanyu Liu, och Rostislav Hrubiak, samt Vitali B. Prakapenka vid University of Chicago, Enshi Xu och Tianshu Li från George Washington University, och Stephan Lany från National Renewable Energy Laboratory – åtog sig utmaningen. Deras arbete publiceras och lyfts fram som ett redaktörsförslag i Material för fysisk granskning .
De skapade Ti 3 N 4 i en kubisk kristallin fas med användning av en laseruppvärmd diamantstädcell, som fördes till omkring 740, 000 gånger normalt atmosfärstryck (74 gigapascal) och cirka 2, 200 grader Celsius (2, 500 kelvin). Avancerade röntgen- och spektroskopiska verktyg bekräftade den kristallina strukturen som laget hade skapat under dessa förhållanden, och teoretiska modellbaserade beräkningar gjorde det möjligt för dem att förutsäga Tis termodynamiska natur och fysikaliska egenskaper 3 N 4 .
Bordssaltliknande TiN är metalliskt, vilket betyder att den kan leda ett flöde av elektroner som utgör en ström. Men kubisk Ti 3 N 4 är en halvledare, vilket innebär att den kan ha sin elektriska ledningsförmåga på och av. Denna möjlighet är oerhört användbar i elektroniska enheter. Titanbaserade halvledare är särskilt populära som katalysatorer för solvattenuppdelningsreaktioner för att producera väte, en ren förnybar energikälla.
Denna förmåga att slå på och stänga av konduktivitet är möjlig eftersom en del av en halvledares elektroner kan flytta från isolerande tillstånd med lägre energi till ledande tillstånd med högre energi när de utsätts för en energitillförsel. Energin som krävs för att initiera detta språng kallas ett bandgap. Bandgapet för kubisk Ti3N4 är större än förväntat baserat på tidigare modellförutsägelser. Vidare, som metalliskt TiN, Ti 3 N 4 förväntas uppvisa utmärkta mekaniska egenskaper och slitstyrka.
"Vad vi vet är detta den första experimentella rapporten om halvledande titannitrid", säger huvudförfattaren Bhadram. "Vi tror att detta arbete kommer att stimulera ytterligare experimentella och teoretiska ansträngningar för att designa nya sätt att skala upp syntesen av Ti 3 N 4 vid omgivningstryck."
