Nanomaterialen: lichtafhankelijke atoomclusters voor detectietoepassingen

Karakterisering van de clusterfilm vervaardigd door elektroforetische depositie (EPD). (a) SEM-beeld in dwarsdoorsnede van de film die door EPD op een anodisch substraat is afgezet. (b) Waargenomen en gesimuleerde elektrospray-ionisatiemassaspectra voor [{Mo6Bri8}Bra6-n(OH)an]2- ionen met n = 0 (rode lijn), 1 (blauwe lijn) en 2 (groene lijn), en bijbehorende H2O-adducten (grijze lijn). c ATD’s opgenomen voor de gedeponeerde film: [{Mo6Bri8}Bra6-n(OH)an]2-; n = 0 (rode lijn), n = 1 (blauwe lijn), n = 2 (groene lijn). Driftcondities voor de driftbuis: 4,0 Torr helium bij 298 K, driftspanning van 450 V. Credit: NPG Azië-materialen (2022). DOI: 10.1038/s41427-022-00366-8

In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in Natuur Azië Materialenvormden Kenshi Harada en een team in materiaalkunde en analytische wetenschap in Japan en Frankrijk een nieuw omgevingsdetectieapparaat dat de opto-ionisch-elektronische fenomenen van een octaëdrische molybdeen metaal (Mo₆) TROS. Het team bouwde deze nanomaterialen, of atomaire clusters, met aan elkaar gebonden metaalatomen met bijbehorende niet-metalen atomen. Ze veranderden de eigenschappen van de materialen voor verschillende toepassingen door functionele stoffen toe te voegen. In dit werk hebben Harada et al. ontwikkelden transparante films gemaakt van indiumtinoxide waarop ze hexamolybdeen-atoomclusters afzetten om de vochtigheid en temperatuurafhankelijkheid van de elektrische eigenschappen van de films te onderzoeken en om te begrijpen hoe hun geleidbaarheid veranderde met variërende lichtomstandigheden. Het innovatieve materiaal heeft toepassingen als atmosferische sensor.

Materiaaltechniek om nieuwe nanomaterialen te ontwerpen

Metalen, halfgeleiders, keramiek en polymeren geven allemaal aanleiding tot functionele materialen met potentieel om nieuwe technologieën te ontwikkelen. Materialen die energie omzetten, kunnen op grote schaal worden gebruikt in alledaagse situaties, en onderzoekers streven ernaar om meer geavanceerde eigenschappen te geven aan apparaten, waaronder piëzo-elektrische, thermo-elektrische, gassensoren en fotodiodes voor duurzame functies. Multifunctionele materiaalontwikkeling in combinatie met miniaturisatie van apparaten kan leiden tot het gebruik van één enkel product om toepassingen in detectie en verlichting uit te breiden. Harada et al. gericht op metaalatoomclusters die worden erkend als multifunctionele bouwstenen van te ontwerpen nanomaterialen nieuwe slimme apparaten. Ze bestudeerden de temperatuurafhankelijkheid van elektronische eigenschappen van een doorschijnend molybdeen-metaalcluster bereid via elektroforetische afzetting, naast eigenschappen van materialen geleidbaarheid onder lichte bestraling. Gebruik dan massaspectrometriebepaalden ze de chemische samenstelling van het metaalcluster en beschreven ze de elektronische eigenschappen om de invloed van lichtinstraling op elektronische en ionische eigenschappen te begrijpen.

Elektrochemische impedantiespectra van de clusterfilms. (a) Nyquist-plots voor films bij verschillende temperaturen (RH = 80%) en (b) Nyquist-plots voor films bij verschillende vochtigheidsgraden (T = 300 K). Credit: NPG Azië-materialen (2022). DOI: 10.1038/s41427-022-00366-8

Morfologie en eigenschappen van de afgezette film

Harada et al. karakteriseerde eerst de oppervlaktefilm met behulp van a scanning elektronenmicroscoop. Vervolgens kwantificeerden ze de ionenmobiliteitsspectrometrie-massaspectrometrie om de hypothese van ionenuitwisseling tijdens elektroforetische depositie te ondersteunen. Op basis van de resultaten zijn de ionenmobiliteitsspectrometrie toonde aan hoe deze liganduitwisselingsreacties de molybdeenclustergeometrie niet substantieel beïnvloedden. Vervolgens onderzochten ze de temperatuur- en vochtigheidsafhankelijkheid tijdens elektrische geleidbaarheid in de molybdeenclusterfilm en toonden aan dat de elektronische weerstand van de clusterfilm temperatuurafhankelijk is. Naarmate de temperatuur steeg, nam de elektronische weerstand af. Het team observeerde vervolgens vergelijkbare activeringsenergieën voor molybdeenclusterfilms die waren voorbereid met verschillende afzettingstijden om te suggereren hoe elektronische eigenschappen niet werden beïnvloed door filmdikte. Harada et al. ook verantwoordelijk voor de impedantiespectra van de clusterfilm bij verschillende relatieve vochtigheid om aan te tonen dat naarmate de relatieve vochtigheid afnam, de elektronische weerstand toenam.

Geleidingseigenschappen van de dunne film van de amorfe octaëdrische molybdeencluster. (a) Temperatuurafhankelijkheden van geleidbaarheid voor de clusterfilm als gevolg van verschillen in vochtigheid. (b) Vochtigheidsafhankelijkheid van de geleidbaarheid bij 300 K. (c) Frequentieafhankelijkheid van M” bij elke temperatuur. (d) Frequentieafhankelijkheid van M” bij elk vochtigheidsniveau. Credit: NPG Azië-materialen (2022). DOI: 10.1038/s41427-022-00366-8

Ontspanningsfrequentie-afhankelijkheid van de molybdeenclusterfilm en andere eigenschappen.

Harada et al. observeerde vervolgens de geleidbaarheid van de clusterfilm, die over het algemeen afhing van het aantal hydronium (H₃O⁺) en hydroxide (OH^–) ionen gecreëerd door de hydrolysereactie tijdens het proces van elektroforetische afzetting. De lokale wijziging van de pH rond de elektroden was een belangrijke factor tijdens het elektroforetische depositieproces, en het team gebruikte hydroniumionen om de molybdeenclusteranionen te neutraliseren en extra clusters maken, met potentieel stabiele en geneutraliseerde componenten. De wetenschappers benaderden vervolgens de elektronische eigenschappen van de molybdeenclusterfilm onder lichtbestraling, die ze kenmerkten via gelijkstroommeting. Ze merkten elektrische geleiding op via onsamenhangende overgangen van ladingsdragers tussen ruimtelijk gelokaliseerde toestanden. Het team observeerde veranderingen in lokale elektronische eigenschappen van de clusterfilm onder bestraling via ultraviolette, rode en blauwe LED-lampen onder gelijkstroom. In elk geval voerden ze slechts 30 seconden licht uit na een verstreken tijd van 270 seconden vanaf het begin van de toepassing van gelijkstroom. Harada et al. ook de impedantie van de clusterfilm gemeten onder bestraling met UV, blauw en rood licht. De fotonenfluxdichtheden waren vergelijkbaar onder de van belang zijnde omstandigheden. De waargenomen verhoogde impedantie wanneer de monsters werden bestraald met UV en blauw licht, terwijl er geen significante veranderingen werden waargenomen met rood licht.

Outlook

Het team ontwikkelde verder een schematische structuur van het molybdeencluster in de film op basis van de resultaten en voerde verschillende experimenten uit met reproduceerbare verschijnselen waarvan werd aangetoond dat ze omkeerbaar zijn. Zo hebben Harida et al. zou de verminderde lichtinstraling na een uur evenwicht in de oorspronkelijke staat kunnen herstellen. Omdat het molybdeencluster fotokatalytische eigenschappen vertoonde, vielen watermoleculen en/of hydroniumionen in de film uiteen in de fotoreactie voor verminderde ionengeleiding. Aanvullend onderzoek toonde ook aan hoe op moleculaire structuur gebaseerde lagen van nature leidden tot intrinsiek halfgeleidend gedrag. Op basis van de experimenten benadrukten Kenshi Harada en collega’s de afhankelijkheid van de vochtigheid, de sterkte van het bestraalde licht en de stralingsgolflengte van de elektronische eigenschappen van de molybdeenclusterfilm. Het team identificeerde de meest voordelige kenmerken van het molybdeencluster, waaronder de grote Stokes-shiftlange levensduur en hoge rode luminescentie-efficiëntie om te laten zien hoe de elektroforetische afzettingsfilm een ​​veelbelovend multifunctioneel apparaat vormde om vochtigheid en UV te detecteren.