Ett schema som visar tunnfilms-SSID för Fe-Ni/Mg-systemet. De tunna filmerna av Mg och Fe-Ni är skiktade ovanpå ett Si-substrat. Vid exponering för värme, Mg delegerar Fe-Ni för att bilda en Mg-Ni-komposit och ren Fe med en 3-D bikontinuerlig struktur. Kreditera: Material horisonter
Forskare har utvecklat ett nytt tillvägagångssätt för att tillverka metall-metallkompositer och porösa metaller med en 3-D sammankopplad "bikontinuerlig" struktur i tunna filmer i storleksskalor som sträcker sig från tiotals nanometer till mikron. Metalliska material med denna svampliknande morfologi – kännetecknad av två samexisterande faser som bildar interpenetrerande nätverk som fortsätter över rymden – kan vara användbara i katalys, energiproduktion och lagring, och biomedicinsk avkänning. Kallas tunnfilm solid-state interfacial dealloying (SSID), tillvägagångssättet använder värme för att driva en självorganiserande process där metaller blandas eller demixas för att bilda en ny struktur. Forskarna använde flera elektron- och röntgenbaserade tekniker ("multimodal analys") för att visualisera och karakterisera bildandet av den bikontinuerliga strukturen.
"Uppvärmning ger metallerna lite energi så att de kan interdiffundera och bilda en självbärande termodynamiskt stabil struktur, " förklarade Karen Chen-Wiegart, en biträdande professor vid Stony Brook University (SBU) Institutionen för materialvetenskap och kemiteknik, där hon leder Chen-Wiegart Research Group, och en vetenskapsman vid National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) – en U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility vid Brookhaven National Laboratory. "SSID har tidigare visats i bulkprover (tiotals mikrometer och tjockare) men resulterar i en storleksgradient, med en större struktur på ena sidan av provet och en mindre struktur på den andra sidan. Här, för första gången, vi demonstrerade framgångsrikt SSID i en helt integrerad tunnfilmsbehandling, vilket resulterar i en homogen storleksfördelning över provet. Denna homogenitet behövs för att skapa funktionella nanostrukturer."
Chen-Wiegart är motsvarande författare på en tidning publicerad online i Material horisonter som finns med på 18 novembers onlinetidskriftsutgåvasomslag. De andra samarbetande institutionerna är Center for Functional Nanomaterials (CFN) – en annan DOE Office of Science User Facility vid Brookhaven Lab – och National Institute of Standards and Technology (NIST).
För att visa deras process, forskarna förberedde magnesium (Mg) och järn (Fe) och nickel (Ni) legeringar tunna filmer på kisel (Si) wafer substrat i CFN Nanofabrication Facility. De värmde proverna till hög temperatur (860 grader Fahrenheit) i 30 minuter och kylde sedan snabbt ner dem till rumstemperatur.
Omslaget till onlinenumret 18 november av Material horisonter illustrerar det multimodala, flerskalig karakterisering av bikontinuerliga tunna filmer bildade av tunnfilms-fast-tillstånds-gränssnittsdelegering (SSID). Det visar ett ljus som lyser på filmerna, och de resulterande signalerna detekteras med olika röntgen- och elektronbaserade tekniker. Kreditera: Material horisonter
"Vi fann att Mg diffunderar in i Fe-Ni-skiktet, där det bara kombineras med Ni, medan Fe separeras från Ni, " sa första författaren Chonghang Zhao, en Ph.D. student i Chen-Wiegart Research Group. "Denna fasseparation är baserad på entalpi, en energimätning som avgör om materialen "gärna" blandas eller inte, beroende på egenskaper såsom deras kristallstruktur och bindningskonfigurationer. Nanokompositen kan behandlas ytterligare för att generera en nanoporös struktur genom att kemiskt ta bort en av faserna."
Nanoporösa strukturer har många tillämpningar, inklusive fotokatalys. Till exempel, dessa strukturer skulle kunna användas för att påskynda reaktionen där vatten delas upp i syre och väte – ett rent brinnande bränsle. Eftersom katalytiska reaktioner sker på materialytor, porernas stora ytarea skulle förbättra reaktionseffektiviteten. Dessutom, eftersom de nanostora "ligamenten" är naturligt sammankopplade, de behöver inget stöd för att hålla ihop dem. Dessa anslutningar skulle kunna tillhandahålla elektriskt ledande vägar.
Teamet identifierade den delegerade bikontinuerliga strukturen av Fe och Ni-Mg genom komplementära elektronmikroskopitekniker vid CFN- och röntgensynkrotrontekniker vid två NSLS-II-strållinjer:Hard X-ray Nanoprobe (HXN) och Beamline for Materials Measurement (BMM) ).
"Med användning av skanningsläget i ett transmissionselektronmikroskop (TEM), vi rasterade elektronstrålen över provet på specifika platser för att generera 2D-elementkartor som visar den rumsliga fördelningen av element, " förklarade Kim Kisslinger, en teknisk assistent i forskningsgruppen CFN Elektronmikroskopi och kontaktpunkten för instrumentet.
Forskarna använde ett sveptransmissionselektronmikroskop (STEM) för att studera strukturen och sammansättningen av Fe-Ni-filmer avlegerade av en Mg-film. Särskilt, de kombinerade högvinkel ringformigt mörkt fält (HAADF) avbildning med energidispersiv röntgenspektroskopi (EDS). HAADF-avbildning är känslig för atomnumret av element i provet. Grundämnen med ett högre atomnummer sprider fler elektroner, får dem att se ljusare ut i den resulterande gråskalebilden. För EDS-kartorna, de olika färgerna motsvarar individuella element och färgintensiteten till deras lokala relativa koncentration. STEM-analys avslöjade bildandet av två faser:ren Fe (magenta) och en Ni-Mg (gul-lila) komposit. Kreditera: Material horisonter
Teamet använde också TEM för att erhålla elektrondiffraktionsmönster som fångar kristallstrukturen och ett svepelektronmikroskop (SEM) för att studera ytmorfologi.
Denna initiala analys gav bevis på bildandet av en bikontinuerlig struktur lokalt i 2-D med hög upplösning. För att ytterligare bekräfta att den bikontinuerliga strukturen var representativ för hela urvalet, teamet vände sig till HXN beamline, som kan tillhandahålla 3D-information över ett mycket större område.
"Med HXN, vi kan fokusera hårt, eller högenergi, röntgen till en mycket liten fläck på cirka 12 nanometer, " sa medförfattaren och HXN-fysikern Xiaojing Huang. "Den världsledande rumsliga upplösningen av hårdröntgenmikroskopi vid HXN är tillräcklig för att se provets minsta strukturer, som sträcker sig i storlek från 20 till 30 nanometer. Även om TEM ger högre upplösning, synfältet är begränsat. Med röntgenmikroskopet, vi kunde observera 3D-elementfördelningarna inom ett större område så att vi kunde bekräfta homogeniteten."
Mätningar vid HXN utfördes på ett multimodalt sätt, med den samtidiga insamlingen av röntgenspridningssignaler som avslöjar 3D-struktur och fluorescenssignaler som är elementkänsliga. Atomer avger fluorescens när de hoppar tillbaka till sitt lägsta energitillstånd (mark) efter att ha exciterats till ett instabilt högre energitillstånd som svar på röntgenenergin. Genom att detektera denna karakteristiska fluorescens, forskare kan bestämma typen och den relativa mängden av element som finns på specifika platser.
Medförfattare och NIST Synchrotron Science Group-fysiker Bruce Ravel bekräftade provets kemiska sammansättning och erhöll de exakta kemiska formerna (oxidationstillstånd) av grundämnena vid BMM, som finansieras och drivs av NIST. Röntgenabsorptionsnära-kantstrukturen (XANES) spektra visade också närvaron av ren Fe.
Nu när forskarna har visat att SSID fungerar i tunna filmer, deras nästa steg är att ta itu med de "parasitära" händelserna de identifierade under denna studie. Till exempel, de upptäckte att Ni diffunderar in i Si-substratet, leder till tomrum, ett slags strukturell defekt. De kommer också att tillverka porstrukturer från metall-metallkompositerna för att demonstrera tillämpningar som fotokatalys, och tillämpa sin strategi på andra metallsystem, inklusive titanbaserade.
