‘Atomaire lasagne’ maken: nieuwe methode transformeert 3D-materialen in stabiele gelaagde dunne films met veelbelovende eigenschappen

Een onderzoeksteam heeft een methode ontdekt om materialen met driedimensionale atomaire structuren om te zetten in bijna tweedimensionale structuren. Dit is een veelbelovende stap in de controle over hun eigenschappen voor chemische, kwantum- en halfgeleidende toepassingen.

De materiaalkunde probeert op atomair niveau niet alleen de stoffen waaruit de wereld bestaat te begrijpen, maar ook hoe deze doelbewust ontworpen en geproduceerd kunnen worden.

Een alomtegenwoordige uitdaging op dit gebied is het vermogen om chemische reactieomstandigheden nauwkeurig te controleren om de kristalstructuur van materialen te veranderen – hoe hun atomen in de ruimte ten opzichte van elkaar zijn gerangschikt. Het controleren van deze structuur is cruciaal om specifieke atomaire rangschikkingen te bereiken die unieke gedragingen opleveren. Dit proces resulteert in nieuwe materialen met gewenste eigenschappen voor praktische toepassingen.

Een team van onderzoekers onder leiding van het National Renewable Energy Laboratory (NREL), met bijdragen van de Colorado School of Mines (Mines), het National Institute of Standards and Technology en het Argonne National Laboratory, ontdekte een methode om materialen om te zetten van hun hogere energietoestand (of metastabiele toestand) naar hun lagere energietoestand, stabiele toestand, terwijl een geordende en bijna tweedimensionale rangschikking van atomen wordt aangebracht – een prestatie die het potentieel heeft om veelbelovende materiaaleigenschappen te ontketenen.

De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in een artikel getiteld “Synthesepaden naar dunne films van stabiele gelaagde nitriden,” in Natuursynthese.

“Een dwingende reden om manieren te vinden om stabiele dunne films te produceren met gelaagde, bijna tweedimensionale structuren is dat veel van hen ongebruikelijke chemische, halfgeleidende of kwantumeigenschappen hebben. Dit komt omdat elektronen in zulke tweedimensionale materialen alleen zijwaarts met andere elektronen interacteren, niet erboven of eronder,” aldus Andriy Zakutayev van NREL, senior natuurkundeonderzoeker die de materialen synthetiseerde en deze studie leidde.

“Deze tweedimensionale eigenschappen kunnen veelbelovend zijn voor praktische toepassingen, zoals elektrokatalysatoren voor waterstofproductie, energiezuinige elektronische apparaten of supergeleidende qubits voor quantumcomputing.”

Inzicht in de vorming van ongeordende metastabiele fasen

Nitriden zijn stikstofhoudende chemische verbindingen die robuuste materialen kunnen vormen. Ze staan ​​bekend om hun chemische bestendigheid en thermische stabiliteit, en deze eigenschappen maken ze onmisbaar in industriële toepassingen met hoge prestaties, met name in dunne films die vaak slechts enkele atomen dik zijn. Veelvoorkomende toepassingen voor deze films zijn onder meer het gebruik als isolatielagen voor halfgeleiders en als beschermende coatings voor optische lenzen en bewerkingsgereedschappen.

Het proces van het creëren van een dunne nitridefilm heeft echter de neiging om moleculaire structuren te produceren die driedimensionaal zijn en niet volledig stabiel. Om nitriden te verkrijgen met de stabiele tweedimensionale gelaagde structuren die nuttig zijn voor chemische of kwantumtoepassingen, onderzochten NREL-onderzoekers waarom deze tussenliggende fasen überhaupt worden gevormd.

Wanneer de samenstellende atomen van een verbinding gebieden met lage energie bereiken, lokale minima genoemd, neigt de verbinding ernaar zich in die structuur te vestigen. De gebieden van waaruit een atoom zich naar deze lokale minima zal bewegen, worden aantrekkingsbekkens genoemd. Verbindingen met stabiele structuren die kleinere aantrekkingsbekkens hebben, hebben meer kans om vast te zitten in een metastabiele staat, tussen stabiliteit en instabiliteit.

“Vanuit een theoretisch perspectief geldt: hoe groter het aantrekkingsgebied, hoe waarschijnlijker het is dat een verbinding zich in die opstelling nestelt. Daarom worden driedimensionale metastabiele nitriden gevormd, net als regenwater dat in een grote plas stroomt die is ontstaan ​​in een groot gat in de weg”, aldus Vladan Stevanovic van Mines, universitair docent metaalkunde en materiaalkunde die samen met zijn team studenten de theoretische berekeningen voor de studie uitvoerde.

“Hier ontdekten we hoe bepaalde metastabiele driedimensionale structuren kunnen veranderen in stabiele, bijna tweedimensionale gelaagde structuren. Dit is spannend, het is alsof je een ruimtewormgat in sciencefiction vindt.”

Ontdekking van een pad om dunne films van stabiele gelaagde nitriden te verkrijgen

Het team synthetiseerde dunne nitridefilms met magnesium en molybdeen door middel van radiofrequentie-sputteren, een procedure waarbij de voorlopermetalen worden bestraald met energieke ionen, waardoor atomen worden verwijderd die dunne films zullen vormen, in een atmosfeer van argon en stikstof. De nieuwe verbindingen werden vervolgens onderworpen aan een snel warmtebehandelingsproces in een atmosferische stikstofomgeving.

“De experimentele observaties geven aan dat de verbindingen, zoals ze zijn afgezet, kristalliseren tot een driedimensionale, metastabiele kubische structuur met elementaire wanorde”, aldus Zakutayev.

“Maar toen we hitte boven de 700°C (1.292°F) toepasten, veranderden de verbindingen in bijna tweedimensionale dunne films met hexagonale structuur met elementaire orde. We waren behoorlijk verrast door de opkomst van de orde uit wanorde – het was alsof je gemengde pasta, kaas en groenten allemaal in een pan gooide en het dan uit de oven haalde en daar een heerlijke, gelaagde lasagne aantrof.”

De sleutel tot het oplossen van dit mysterie was een elementaire orde die verborgen zat op de zeer korte atomaire lengteschaal in de anderszins ongeordende metastabiele materialen. Het team valideerde deze ontdekking met drie andere nitridematerialen en twee onafhankelijke experimentele metingen naast theoretische berekeningen.

Implicaties van een dunne-film transformatiepad

Naast de specifieke verbindingen in de experimenten van het team, is de ontdekking van het team ook toepasbaar op andere dunne nitridefilms waarvan alleen bekend is dat ze driedimensionale kubische structuren vormen. Controle over de uiteindelijke atomaire structuur van een materiaal is essentieel om de eigenschappen van dat materiaal te veranderen.

Dit geldt vooral voor materialen met kwantumeigenschappen die snel reageren op kleine veranderingen in de atomaire structuur en voor materialen met halfgeleidereigenschappen die kunnen worden aangepast door middel van atoomherschikking.

“Ons team kon met behulp van dezelfde methode drie andere nitrideverbindingen synthetiseren in een gelaagde, bijna tweedimensionale structuur, wat de universaliteit van onze aanpak aantoont”, aldus Rebecca Smaha van NREL, onderzoeker materiaalkunde die synchrotronmetingen uitvoerde.

“We hebben ook een theoretische verklaring ontwikkeld voor hoe deze materialen gesynthetiseerd kunnen worden, waardoor deze synthesemethode geschikt is voor andere chemieën dan nitriden. Ik ben benieuwd hoe dit synthesepad kan worden benut om volledig nieuwe materialen te ontdekken in de chemie van anorganische vaste stoffen.”