Door metalen uit te rekken op atomair niveau kunnen onderzoekers belangrijke materialen maken voor kwantumtoepassingen

Een team onder leiding van de Universiteit van Minnesota Twin Cities heeft een unieke, baanbrekende methode ontwikkeld die het gemakkelijker maakt om dunne metaaloxidefilms van hoge kwaliteit te maken van “koppige” metalen die historisch gezien moeilijk te synthetiseren waren in een atomair precieze manier. Dit onderzoek maakt de weg vrij voor wetenschappers om betere materialen te ontwikkelen voor verschillende toepassingen van de volgende generatie, waaronder kwantumcomputing, micro-elektronica, sensoren en energiekatalyse.

Het artikel van de onderzoekers is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie.

“Dit is echt een opmerkelijke ontdekking, omdat het een ongeëvenaarde en eenvoudige manier onthult voor het navigeren door materiaalsynthese op atomaire schaal door gebruik te maken van de kracht van epitaxiale belasting”, zegt Bharat Jalan, senior auteur van het artikel en een professor en Shell-voorzitter aan de universiteit. van Minnesota Department of Chemical Engineering en Materials Science.

“Deze doorbraak vertegenwoordigt een aanzienlijke vooruitgang met verreikende implicaties op een breed scala van gebieden. Het biedt niet alleen een middel om atomair-precieze synthese van kwantummaterialen te bereiken, maar het heeft ook een enorm potentieel voor het beheersen van oxidatie-reductieroutes in verschillende toepassingen, waaronder katalyse en chemische reacties die plaatsvinden in batterijen of brandstofcellen.”

“Hoogharde” metaaloxiden, zoals die op basis van ruthenium of iridium, spelen een cruciale rol in tal van toepassingen in de kwantuminformatiewetenschappen en elektronica. Het omzetten ervan in dunne films was echter een uitdaging voor onderzoekers vanwege de inherente moeilijkheden bij het oxideren van metalen met behulp van hoogvacuümprocessen.

De fabricage van deze materialen heeft materiaalwetenschappers tientallen jaren met stomheid geslagen. Hoewel sommige onderzoekers met succes oxidatie hebben bereikt, zijn de tot nu toe gebruikte methoden kostbaar, onveilig of hebben ze geleid tot een slechte materiaalkwaliteit.

De oplossing van de onderzoekers van de Universiteit van Minnesota? Probeer het uit.

Terwijl ze probeerden metaaloxiden te synthetiseren met behulp van conventionele moleculaire bundelepitaxie, een energiezuinige techniek die enkele materiaallagen genereert in een ultrahoogvacuümkamer, stuitten de onderzoekers op een baanbrekende onthulling. Ze ontdekten dat het opnemen van een concept genaamd “epitaxiale spanning” – het effectief strekken van de metalen op atomair niveau – het oxidatieproces van deze hardnekkige metalen aanzienlijk vereenvoudigt.

“Dit maakt het mogelijk om technologisch belangrijke metaaloxiden te creëren uit hardnekkige metalen in ultrahoogvacuümatmosferen, wat al lang een probleem is”, zegt Sreejith Nair, eerste auteur van het artikel en Ph.D. student. “De huidige synthesebenaderingen hebben grenzen en we moeten nieuwe manieren vinden om die grenzen verder te verleggen, zodat we materialen van betere kwaliteit kunnen maken. Onze nieuwe methode om het materiaal op atomaire schaal uit te rekken is een manier om de prestaties van de huidige technologie.”

Hoewel het team van de Universiteit van Minnesota in dit artikel iridium en ruthenium als voorbeelden gebruikte, heeft hun methode het potentieel om atomair-precieze oxiden te genereren van elk moeilijk te oxideren metaal. Met deze baanbrekende ontdekking willen de onderzoekers wetenschappers over de hele wereld in staat stellen deze nieuwe materialen te synthetiseren.

De onderzoekers werkten nauw samen met medewerkers van de Auburn University, de University of Delaware, het Brookhaven National Laboratory, het Argonne National Laboratory en het laboratorium van collega University of Minnesota Department of Chemical Engineering and Materials Science Professor Andre Mkhoyan om hun methode te verifiëren.

“Toen we deze metaaloxidefilms van heel dichtbij bekeken met behulp van zeer krachtige elektronenmicroscopen, legden we de rangschikking van de atomen vast en bepaalden we hun typen”, legt Mkhoyan uit. “Ja hoor, ze waren mooi en periodiek gerangschikt zoals ze zouden moeten zijn in deze kristallijne films.”