Gestructureerd licht manipuleert materiaaleigenschappen en onthult atomaire veranderingen in nanokristallen

Onderzoekers van de Schools of Science and Engineering van Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) onderzoeken nieuwe manieren om materie te manipuleren met licht om een nieuwe generatie computerchips, fotovoltaïsche cellen en andere geavanceerde materialen te ontgrendelen.

Professor Moussa N’Gom, Ph.D. en Materials Science Professor Edwin Fohtung, Ph.D., natuurkunde hebben hun respectieve expertisegebieden – optics en materiaalwetenschappen – samengebracht om eerder onbekende eigenschappen van de materialen te verlichten die de volgende generatie van consumenten-, industriële en wetenschappelijke en wetenschappelijke hulpmiddelen zullen bouwen.

“We kunnen bijna het hele spectrum van licht gebruiken, van zichtbare tot röntgenfoto’s tot manipuleren en bestuderen van materialen,” zei Fohtung. “We kunnen elk systeem ondervragen, van harde gecondenseerde materie tot zacht biologisch weefsel.”

Twee van hun bevindingen, die onderzoeken hoe gestructureerd licht kan worden gebruikt om materiaaleigenschappen te veranderen en te regelen, zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen Met de hulp van collega’s van RPI en Argonne National Laboratory.

In een van de krantende onderzoekers hebben aangetoond dat ze de polarisatie van bepaalde ferro -elektrische materialen kunnen moduleren met behulp van licht dat “gedraaid” is, of een spiraalvormige golfvorm hebben gekregen. Ze ontdekten dat dit hen veel controle geeft over de interne polarisatie van het materiaal.

“We denken vaak aan lichte fotonen als een hamer, en slaat neer op een materiaal om zijn polarisatie in of uit te schakelen,” zei N’Gom. “Met deze techniek gebruiken we echter de fotonen meer als een sleutel: we kunnen ons richten op een bepaalde set atomen of ionen in een kristal en de grootte en configuraties van het interne elektrische veld van het materiaal manipuleren.”

Ze konden gedetailleerde afbeeldingen van die manipulaties vastleggen met behulp van röntgenbeeldvorming. “De optische fotonen stellen ons in staat om buiten-evenwichtsconfiguraties van de polarisatietexturen te manipuleren en te vormen, terwijl de röntgenfotonen ons helpen driedimensionale beelden van de interne structuur van het materiaal vast te leggen,” zei Fohtung.

Het is een proof-of-concept voor nieuwe klassen van niet-vluchtige ferro-elektrisch willekeurig toegankelijke geheugen (FERAM) -apparaten, vergelijkbaar in constructie met de magnetische dynamische willekeurige Access Memory (DRAM) -apparaten die worden gebruikt in conventionele elektronica. Feram -apparaten kunnen mogelijk maken dat meer informatie efficiënter kan worden bewaard in dezelfde hoeveelheid ruimte.

“Iedereen wil dat hun apparaten kleiner, sneller zijn, meer informatie opslaan en veiliger zijn,” zei Fohtung. “We kunnen al die dingen doen met de methode die we hebben bedacht. Het gebruik van gedraaid licht – lichtstralen met orbitale hoekmomentum (OAM) – om polarisatietexturen te manipuleren, vertegenwoordigt een krachtige, opkomende strategie voor het ontwerpen van Feram -apparaten.”

In de Tweede papiereen belangrijke stap vooruit voor schone energie- en materiaalontwerp, een onderzoeksteam onder leiding van N’Gom en Fohtung, voor het eerst, real-time 3D-beelden van structurele atomaire veranderingen in individuele nanokristallen terwijl ze reageren op hitte, gassen en licht.

Met behulp van een geavanceerde techniek genaamd Bragg coherente diffractieve beeldvorming (BCDI), observeerde het team hoe bismut tungstate (bi₂wo₆) nanoflakes-materialen die veel worden onderzocht voor fotokatalyse en door zonne-energie aangedreven chemische reacties-hun interne vorm, stress en structuur onder de structuur van de structuur en structuur veranderen. “Het is alsof je röntgenbehoeften in het hart van een enkel nanokristal hebt terwijl het werkt,” zei Fohtung.

Dit werk overwint een langdurige barrière in katalyse en energiematerialen: het onvermogen om direct te observeren hoe afzonderlijke deeltjes zich gedragen onder real-world omstandigheden. “Deze inzichten helpen ons te begrijpen wat de prestaties – en falen – op nanoschaal drijft,” legde Fohtung uit. “Dat betekent dat we slimmere, efficiëntere materialen vanaf de grond kunnen ontwerpen.”

In een experiment ontdekten de onderzoekers dat blootstelling aan intens licht ervoor zorgde dat Bismuth Tungstate afbreekbaar was, waardoor de hoeveelheid beschikbare oppervlakte verhoogde om chemische interacties te vergemakkelijken. Ze ontdekten ook dat het licht kon worden gebruikt om een faseverandering in de katalysator van een metaal tot een halfgeleidende toestand te veroorzaken, waardoor ze effectief het katalytische proces aan of uit kunnen schakelen.

“Fotokatalytische materialen zijn belangrijk voor hun unieke vermogen om lichte energie te benutten om chemische reacties te stimuleren,” zei N’Gom. “Dit samenwerkingswerk is bedoeld om aan te tonen dat gestructureerd licht kan worden gebruikt om hun activiteit onder zichtbaar licht te verbeteren en hun fysieke eigenschappen te regelen, zoals recombinatie van ladingsdragers, waardoor de algehele efficiëntie wordt verbeterd.”

“Dit werk is een bewijs van het interdisciplinaire karakter van het onderzoek gedaan bij RPI, en voor de creativiteit en inventiviteit van onze geleerden,” zei Gyorgy Korniss, professor en hoofd van de fysica van RPI, Applied Physics and Astronomy Department.

“Geavanceerde beeldvormingstechnieken bieden niet alleen ongelooflijke hulpmiddelen om fundamentele eigenschappen van materialen en levende cellen te onderzoeken, maar ook de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van nieuwe computerchips, geheugenopslageenheden en andere geavanceerde apparaten en materialen die ons hele leven de komende decennia beter zullen maken.”