I en ny rapport som nu publicerats i Nature Asia Materials , Kenshi Harada och ett team inom materialvetenskap och analytisk vetenskap i Japan och Frankrike bildade en ny miljöavkänningsenhet som utforskade de optojoniska-elektroniska fenomenen hos en oktaedrisk molybdenmetall (Mo₆ ) kluster. Teamet byggde dessa nanomaterial, eller atomkluster, med metallatomer bundna till varandra med åtföljande icke-metalliska atomer. De förändrade materialens egenskaper för en mängd olika tillämpningar genom att lägga till funktionella ämnen. I detta arbete har Harada et al. utvecklat transparenta filmer gjorda av indiumtennoxid på vilka de avsatte atomkluster av hexamolybden för att undersöka fukt- och temperaturberoendet av filmernas elektriska egenskaper och för att förstå hur deras ledningsförmåga förändrades med varierande ljusförhållanden. Det innovativa materialet har tillämpningar som en atmosfärisk sensor.

Materialteknik för att designa nya nanomaterial

Metaller, halvledare, keramer och polymerer ger alla upphov till funktionella material med potential att utveckla ny teknik. Material som omvandlar energi kan användas i stor utsträckning i vardagliga situationer, och forskare strävar efter att ge mer avancerade egenskaper för enheter, inklusive piezoelektriska, termoelektriska, gassensorer och fotodioder för hållbara funktioner. Multifunktionell materialutveckling kopplad till enhetsminiatyrisering kan leda till användningen av en enda produkt för att utöka tillämpningar inom avkänning och belysning. Harada et al. fokuserat på metallatomkluster erkända som multifunktionella byggstenar av nanomaterial för att designa nya smarta enheter. De studerade temperaturberoendet av elektroniska egenskaper hos ett genomskinligt molybdenmetallkluster framställt via elektroforetisk avsättning, tillsammans med egenskaperna hos materialledningsförmåga under ljusbestrålning. Sedan med hjälp av masspektrometri bestämde de den kemiska sammansättningen av metallklustret och beskrev de elektroniska egenskaperna för att förstå påverkan av ljusbestrålning på elektroniska och joniska egenskaper.

Harada et al. först karakteriserade ytfilmen med användning av ett svepelektronmikroskop. Därefter kvantifierade de jonmobilitetsspektrometri-masspektrometri för att stödja hypotesen om jonbyte under elektroforetisk avsättning. Baserat på resultaten visade jonmobilitetsspektrometrin hur dessa ligandutbytesreaktioner inte väsentligt påverkade molybdenklustergeometrin. De undersökte därefter temperatur- och fuktighetsberoendet under elektrisk konduktivitet i molybdenklusterfilmen och visade att den elektroniska resistansen hos klusterfilmen var temperaturberoende. När temperaturen steg minskade det elektroniska motståndet. Teamet observerade därefter liknande aktiveringsenergier för molybdenklusterfilmer framställda med olika avsättningstider för att antyda hur elektroniska egenskaper inte påverkades av filmtjocklek. Harada et al. redogjorde också för impedansspektra för klusterfilmen vid olika relativ fuktighet för att visa att när den relativa fuktigheten minskade, ökade det elektroniska motståndet.

Avslappningsfrekvensberoende för molybdenklusterfilmen och andra egenskaper.

Harada et al. observerade sedan konduktiviteten hos klusterfilmen, som i allmänhet berodde på antalet hydronium (H₃ O ⁺ ) och hydroxid (OH ^- ) joner skapade av hydrolysreaktionen under processen med elektroforetisk avsättning. Den lokala modifieringen av pH runt elektroderna var en viktig faktor under den elektroforetiska avsättningsprocessen, och teamet använde hydroniumjoner för att neutralisera molybdenklusteranjonerna och skapa ytterligare kluster, med potentiellt stabila och neutraliserade komponenter. Forskarna närmade sig därefter de elektroniska egenskaperna hos molybdenklusterfilmen under ljusbestrålning, som de karakteriserade via likströmsmätning. De noterade elektrisk ledning via inkoherenta övergångar av laddningsbärare mellan rumsligt lokaliserade tillstånd. Teamet observerade förändringar i lokala elektroniska egenskaper hos klusterfilmen under bestrålning via ultravioletta, röda och blå LED-lampor under likström. I varje fall utförde de ljusbestrålning i endast 30 sekunder efter en förfluten tid på 270 sekunder från början av likströmsspänningstillämpningen. Harada et al. mätte även impedansen för klusterfilmen under UV-, blått och rött ljus. Fotonflödestätheterna var liknande under betingelserna av intresse. Den noterade ökade impedansen när proverna bestrålades med UV och blått ljus, medan det inte observerades några signifikanta förändringar med rött ljus.

Outlook

Teamet vidareutvecklade en schematisk struktur av molybdenklustret i filmen från resultaten och genomförde flera experiment med reproducerbara fenomen som visade sig vara reversibla. Till exempel har Harida et al. kunde återställa reducerad ljusbestrålning till det ursprungliga tillståndet efter en timmes jämvikt. Eftersom molybdenklustret visade fotokatalytiska egenskaper, sönderdelades vattenmolekyler och/eller hydroniumjoner i filmen i fotoreaktionen för minskad jonledningsförmåga. Ytterligare forskning visade också hur molekylära strukturbaserade lager naturligt ledde till inneboende halvledande beteende. Baserat på experimenten, betonade Kenshi Harada och kollegor beroendet av fuktighet, bestrålat ljusstyrka och bestrålningsvåglängd på de elektroniska egenskaperna hos molybdenklusterfilmen. Teamet identifierade de mest fördelaktiga egenskaperna hos molybdenklustret, inklusive det stora Stokes-skiftet, lång livslängd och hög röd luminescerande effektivitet för att visa hur den elektroforetiska avsättningsfilmen bildade en lovande multifunktionell enhet för att känna av fukt och UV. + Utforska vidare

Överraskande halvledaregenskaper avslöjade med innovativ ny metod

© 2022 Science X Network