Ett team ledt av Department of Energy:s Oak Ridge National Laboratory syntetiserade en liten struktur med hög ytarea och upptäckte hur dess unika arkitektur driver joner över gränssnitt för att transportera energi eller information. Deras "nanoborste" innehåller borst gjorda av alternerande kristallark med vertikalt inriktade gränssnitt och rikliga porer.

"Detta är stora tekniska prestationer och kan visa sig användbara för att främja energi- och informationsteknik, " sa ORNLs Ho Nyung Lee, som ledde studien publicerad i Naturkommunikation . "Detta är ett utmärkt exempel på arbete som endast är genomförbart med den unika expertis och kapacitet som finns på nationella labb."

Teamets forskare kommer från DOE nationella labb Oak Ridge och Argonne och Massachusetts Institute of Technology, eller MIT, University of South Carolina, Columbia, och University of Tennessee, Knoxville.

Borsten av deras flerskiktiga kristall, eller "superkristall, " odlas fristående på ett substrat. Tidigare ORNL-postdoktor Dongkyu Lee syntetiserade superkristallerna med hjälp av pulsad laserepitaxi för att avsätta och bygga upp omväxlande lager av fluoritstrukturerad ceriumoxid (CeO) ₂ ) och bixbyitstruktur yttriumoxid (Y2O3). Förverkligandet av borsten i nanoskala möjliggjordes genom utvecklingen av en ny metod för precisionssyntes som kontrollerar atomdiffusion och aggregation under tillväxten av tunnfilmsmaterial. Med hjälp av scanningstransmissionselektronmikroskopi, eller STEM, tidigare ORNL postdoktor Xiang Gao blev förvånad över att upptäcka atomärt exakta kristallina gränssnitt inom borsten.

För att se fördelningen av vd ₂ och Y ₂ O ₃ inom nanobrush, ORNL:s Jonathan Poplawsky mätte prover från borsten med hjälp av atomprobstomografi, eller APT, vid Centrum för Nanophase Materials Sciences, en DOE Office of Science User Facility på ORNL. "APT är den enda tillgängliga tekniken som kan undersöka de tredimensionella positionerna för atomer i ett material med subnanometerupplösning och 10 ppm kemisk känslighet, " sade Poplawsky. "APT klargör den lokala fördelningen av atomer inom ett objekt i nanostorlek och var en utmärkt plattform för att ge information om 3D-strukturen i gränssnittet mellan ceriumoxid- och yttriumoxidskikten."

För ett papper från 2017, de ORNL-ledda forskarna använde epitaxy genom pulserande laseravsättning för att exakt syntetisera nanoborstar med borst som endast innehåller en förening. För 2020 års tidning, de använde samma metod för att skikta två föreningar, Vd ₂ och Y2O ₃ , tillverkning av de första hybridborsten med gränssnitt mellan de två materialen. Traditionellt, gränssnitt är riktade i sidled genom att skikta olika kristaller i tunna filmer, medan nanoborstar i romanen när de odlas på en viss yta, gränssnitt är inriktade vertikalt genom ytenergiminimering i borst som bara är 10 nanometer breda - cirka 10, 000 gånger tunnare än ett människohår.

"Det här är ett verkligt innovativt sätt att bygga kristallina nanoarkitekturer, tillhandahåller oöverträffade vertikala gränssnitt som aldrig ansågs vara genomförbara, " sa Ho Nyung Lee. "Du kan inte uppnå dessa perfekta kristallina arkitekturer från någon annan syntesmetod."

Han lade till, "Det finns många sätt att använda gränssnitt, vilket är anledningen till att 2000 års Nobelpristagare Herbert Kroemer sa:"gränssnittet är enheten." Konventionellt, avsättning av lager av tunna filmmaterial på substrat skapar gränssnitt som är horisontellt inriktade, låter joner eller elektroner röra sig längs substratets 2D-plan. Den ORNL-ledda prestationen är proof of concept att det är möjligt att skapa vertikalt inriktade gränssnitt genom vilka elektroner eller joner kan transporteras ut ur substratets plan. Dessutom, Arkitekturer som nanoborsten skulle kunna kombineras med andra arkitekturer i nanoskala för att skapa enheter för kvantteknik och avkänning samt energilagring.

Lågenergikonfigurationen av fluoritstrukturen orsakade bildandet av unika chevronmönster, eller inverterade "V"-former. En liten oöverensstämmelse mellan olika strukturer av fluorit- och bixbyitkristallsubenheter orsakar oöverensstämmelse mellan de elektroniska laddningarna vid deras gränssnitt, orsakar syreatomer att lämna fluoritsidan, vilket leder till bildandet av funktionsdefekter. De utrymmen som lämnas kvar kan bilda gränssnitts syrejoner och skapa en kanal i atomskala genom vilken jonerna kan flöda. "Vi använder gränssnitten inte bara för att artificiellt skapa syrejoner, men också att styra jonrörelsen på ett mer avsiktligt sätt, " sa Lee.

Med hjälp av ORNL:s Matthew Chisholm, Gao använde STEM för att avslöja atomstrukturen hos kristall- och elektronenergiförlustspektroskopin för att avslöja kemiska och elektroniska insikter om gränssnittet. "Vi observerade att en fjärdedel av syreatomer förloras vid gränssnitten, ", sa Chisholm. "Vi blev också överraskade av chevrontillväxtmönstret. Det var viktigt i början att verkligen förstå hur gränssnitten bildas inom borsten."

Nanoborsten har en hög porositet, och dess arkitektur är fördelaktig för applikationer som kräver stor yta för att maximera elektroniska och kemiska interaktioner, såsom sensorer, membran och elektroder. Men hur kunde forskarna bestämma porositeten hos deras material? Neutroner - neutrala partiklar som passerar genom material utan att förstöra dem - gav ett utmärkt verktyg för att karakterisera porositeten hos bulkmaterialet. Forskarna använde resurser från Spallation Neutron Source, en DOE Office of Science User Facility på ORNL, för utökat Q-område med liten vinkel neutronspridning som bestämde den övre gränsen för porositet till 49 %. "Snabbvuxna borst kan ge ungefär 200 gånger så mycket yta som en tunn 2D-film, " sa ORNL medförfattare Michael Fitzsimmons.

Han lade till, "Det vi lär oss kan främja tillämpningar av neutronvetenskap i processen. Medan tunna filmer inte ger tillräcklig yta för neutronspektroskopistudier, ORNLs nya nanobrush-arkitektur gör, och kan vara en plattform för att lära sig mer om gränssnittsmaterial när en ännu ljusare neutronstråle blir tillgänglig på SNS:s andra målstation, som är ett finansierat byggprojekt. "

Teoretiska beräkningar av materialsystemet från elektronisk och atomär nivå stödde rön om syre-vakansskapande vid gränssnitten. MIT-bidragsgivare Lixin Sun utförde densitetsfunktionella teoriberäkningar och simuleringar av molekylär dynamik under ledning av Bilge Yildiz.

"Våra teoretiska beräkningar avslöjade hur detta gränssnitt kan rymma en mycket annorlunda kemi vid denna typ av unika gränssnitt jämfört med bulkmaterial, " sa Yildiz. MIT-beräkningarna förutspådde energin som behövdes för att avlägsna en neutral syreatom för att bilda en ledig plats nära gränsytan eller i mitten av ett ceriumoxidskikt. "I synnerhet, vi fann att en stor del av syrejoner avlägsnas vid gränsytan utan att försämra gitterstrukturen."

Lee sa, "Verkligen, dessa kritiska gränssnitt kan bildas inuti nanobrusharkitekturer, vilket gör dem mer lovande än konventionella tunna filmer i många tekniska tillämpningar. Deras mycket större yta och större antal gränssnitt - potentiellt tusentals inuti varje borst – kan visa sig vara en spelförändring i framtida teknologier där gränssnittet är enheten."

Titeln på uppsatsen är "Kolossal syrevakansbildning vid ett fluorit-bixbyite-gränssnitt."