Beeldvormingstechniek onthult stammen en defecten in vanadiumoxide

Onderzoekers onder leiding van Edwin Fohtung, universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering aan het Rensselaer Polytechnic Institute, hebben een nieuwe techniek ontwikkeld voor het blootleggen van defecten in nanogestructureerd vanadiumoxide, een veelgebruikt overgangsmetaal met veel potentiële toepassingen, waaronder elektrochemische anoden, optische toepassingen en supercondensatoren . In het onderzoek – dat werd gepubliceerd in een artikel in het tijdschrift Royal Chemical Society CrystEngComm, en ook op de omslag van de editie – het team heeft een lensloze microscopietechniek uitgewerkt om individuele defecten vast te leggen die zijn ingebed in vanadiumoxide-nanovlokken.

“Deze waarnemingen kunnen helpen bij het verklaren van de oorsprong van defecten in structuur, kristalliniteit of samenstellingsgradiënten die worden waargenomen nabij korrelgrenzen in andere dunnefilm- of vloktechnologieën”, zegt Fohtung, een expert in nieuwe synchrotronverstrooiings- en beeldvormingstechnieken. “Wij geloven dat ons werk het potentieel heeft om de manier waarop we kijken naar de groei en niet-destructieve driedimensionale beeldvorming van nanomaterialen te veranderen.”

Vanadiumoxide wordt momenteel gebruikt in veel technologische gebieden, zoals energieopslag, en kan ook worden gebruikt bij het construeren van veldeffecttransistoren vanwege metaalisolerend overgangsgedrag dat kan worden aangepast met een elektrisch veld. Spanning en defecten in het materiaal kunnen echter de functionaliteit ervan veranderen, waardoor niet-destructieve technieken nodig zijn om die potentiële gebreken op te sporen.

Het team ontwikkelde een techniek op basis van coherente röntgendiffractiebeeldvorming. Deze techniek is gebaseerd op een soort circulaire deeltjesversneller die bekend staat als een synchrotron. Synchrotrons werken door elektronen te versnellen door reeksen magneten totdat ze bijna de lichtsnelheid bereiken. Deze snel bewegende elektronen produceren zeer helder, intens licht, voornamelijk in het röntgengebied. Dit synchrotronlicht, zoals het wordt genoemd, is miljoenen keren helderder dan licht van conventionele bronnen en 10 miljard keer helderder dan de zon. Fohtung en zijn studenten hebben dit licht met succes gebruikt om technieken te ontwikkelen en minuscule materie zoals atomen en moleculen en nu defecten vast te leggen. Wanneer deze techniek wordt gebruikt om kristallijne materialen te onderzoeken, staat deze techniek bekend als Bragg coherente diffractiebeeldvorming (BCDI). In hun onderzoek gebruikte het team een ​​BCDI-benadering om nanoschaaleigenschappen van elektronendichtheden in kristallen te onthullen, inclusief spannings- en roosterdefecten.

Fohtung werkte nauw samen met Jian Shi, een universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek bij Rensselaer. Ze werden vergezeld door Zachary Barringer, Jie Jiang, Xiaowen Shi en Elijah Schold van Rensselaer, evenals onderzoekers van de Carnegie Mellon University.