Controle van dunne films met atomaire ‘spraypainting’

Zonder dunne films zou er geen moderne elektronica of hoogwaardige spiegels zijn. De halfgeleiderchips die in onze mobiele telefoons en computers worden gebruikt, zijn gebaseerd op dunne films gemaakt van verschillende materialen, waaronder metaaloxiden die ten minste één metaal en zuurstof bevatten.

Dunne metaaloxidefilms dienen als meer dan alleen een laag in de elektronica. Ze hebben toepassingen in detectie, katalyse en energieopslag. Om dunne films te maken die de vloeistoflaag in batterijen kunnen vervangen of specifieke chemische transformaties kunnen bevorderen, is het nodig om de materialen op atomair niveau te begrijpen. Bij Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) onderzoeken onderzoekers hoe dunne metaaloxidefilms kunnen worden ontworpen die kunnen worden gebruikt om schone energie te produceren.

“Ik denk graag aan wat we doen als het spuiten van een doelwit met atomen”, zei PNNL-materiaalwetenschapper en Laboratory Fellow Scott Chambers. Zijn team gebruikt een techniek, moleculaire bundelepitaxie genaamd, om elementen atoom voor atoom op een vast kristal af te zetten. Hierdoor kunnen onderzoekers hoogwaardige, kristallijne dunne films maken met precieze controle over hun samenstelling en structuur.

Sommige dunne films geleiden bijvoorbeeld altijd elektriciteit en andere niet. Door verschillende films op elkaar te stapelen, kunnen wetenschappers veranderen hoe ze reageren op een elektrische stroom.

“Ons vermogen om geavanceerde energietechnologieën te ontwikkelen, hangt af van hoe goed we dunne lagen materiaal kunnen maken”, zegt Peter Sushko, materiaalwetenschapper bij PNNL.

Het maken van extreem dunne oxidefilms met hoge precisie vereist geavanceerde syntheseapparatuur. Deze apparatuur verhuist naar een nieuw en groter laboratorium in het Energy Sciences Center (ESC) van PNNL. Het Atomically Precise Materials-team gebruikt momenteel twee moleculaire bundelepitaxiesystemen en een gepulseerd laserdepositie-instrument. De geplande toevoeging van een ander gepulseerd laserdepositie-instrument zal de capaciteit van het team vergroten om meer en verschillende experimentele dunne films te maken.

Kleine veranderingen in dunne films hebben grote gevolgen

Le Wang, een materiaalwetenschapper van PNNL, leidde een recent onderzoek waarin atomair nauwkeurige dunne films werden gebruikt om stabiele, hoogwaardige katalysatoren te maken. Ze ontdekten dat het variëren van de samenstelling van lanthaan-nikkelijzeroxide (LaNi_1-xFe_xO₃ of LNFO) heeft dunne films invloed op hun vermogen om water in zuurstof om te zetten. Deze reactie is belangrijk voor de productie van schone energie. LNFO heeft het potentieel om de behoefte aan dure katalysatoren op basis van edelmetalen te verminderen of deze te vervangen.

Eerder onderzoek toonde aan dat het vervangen van een deel van het nikkel door ijzer in lanthaan-nikkeloxide het vermogen van het materiaal om zuurstof te genereren vergroot. De exacte reden voor deze verhoogde activiteit was echter onduidelijk.

Het PNNL-onderzoeksteam gebruikte zijn uiterst nauwkeurige films en instrumentatie om deze onzekerheid aan te pakken. Het werk, gepubliceerd in Nano-letters, geeft duidelijk bewijs en verklaringen waarom het mengen van nikkel en ijzer leidt tot een efficiëntere zuurstofvorming.

De PNNL-onderzoekers synthetiseerden een reeks hoogwaardige LNFO-dunne films, van puur lanthaan-nikkeloxide tot lanthaan-ijzeroxide en een reeks composities daartussenin. Ze maakten ook verschillende hoge kwaliteitsnormen, allemaal gemeten met dezelfde apparatuur, die onderzoekers in staat stelden om kleine, maar consequente veranderingen in de elektronische structuur van de materialen op te merken.

De kleine veranderingen toonden aan dat het ijzer een deel van zijn elektronen overbrengt naar het nikkel in een proces dat bekend staat als ladingsoverdracht. De ladingsoverdracht maakt het voor het materiaal gemakkelijker om water om te zetten in zuurstof. Het identificeren van deze voorheen ongeziene ladingsoverdracht gaf onderzoekers inzicht in waarom LNFO als een betere katalysator fungeert.

Modellering voor begrip op atomaire schaal

Het team gebruikt een meervoudige aanpak in haar onderzoek. Ze synthetiseren nieuwe materialen en karakteriseren hun structuur in het laboratorium. Benchtop-experimenten hebben echter grenzen aan hoeveel details ze kunnen onthullen. Het niet zo geheime wapen van het team? Theorie.

Door theorie en experimenten te combineren, ontstaan ​​diepere inzichten in dunne oxidefilms. Computationele modellering geeft inzicht in hoe atomen bewegen op het filmoppervlak en hoe elektronen herschikken op schalen die kleiner zijn dan de diameter van een atoom. In dit project wilden de onderzoekers zien of atomen in gesimuleerde LNFO dezelfde subtiele tekenen van ladingsoverdracht vertoonden als in het laboratorium.

“Het was een spannende dag toen we Peter kregen [Sushko]’s berekeningen terug en ze kwamen zo goed overeen met onze experimentele gegevens, “zei Wang. “Die resultaten valideerden echt ons argument over het belang van ladingsoverdracht in LNFO.”

Op zoek naar de toekomst van dunne films

Dit onderzoek wordt voortgezet in het ESC, waar grote ramen een nieuwe goed zichtbare laboratoriumruimte zullen belichten. Iedereen die de ESC-lobby binnenkomt, kan de onderzoekers nieuwe monsters zien maken. “We zijn verheugd over het venster op onze wetenschap dat de verhuizing zal bieden aan bezoekers van het ESC”, zei Sushko. “Naast het grotere laboratorium en extra instrumentatie, kijken we er allemaal naar uit om samen in hetzelfde gebouw te zijn.”

Volgende? De onderzoekers zijn van plan om lanthaan gedeeltelijk te vervangen door strontium in hetzelfde filmsysteem, waardoor een oxide ontstaat met vier verschillende metalen. Dit zal het team helpen om veranderingen in de structuren en eigenschappen van complexe oxidefilms beter te begrijpen. Het begrijpen van dergelijke processen zal leiden tot nieuwe synthese-inspanningen om nog betere katalysatoren te ontwerpen.