Uitgebreide defecten ontsluiten nieuwe eigenschappen in nanomaterialen

Materiaalwetenschappers van de Twin Cities van de Universiteit van Minnesota hebben een manier gevonden om kleine ‘foutjes’ in ultradunne materialen te creëren en te beheersen. Deze interne kenmerken, bekend als uitgebreide defecten, zouden nanomaterialen van de volgende generatie geheel nieuwe eigenschappen kunnen geven, waardoor de deur wordt geopend voor vooruitgang in de nanotechnologie.

De studie, gepubliceerd in Natuurcommunicatietoonde aan dat gebieden van het materiaal met patronen een dichtheid van uitgebreide defecten konden bereiken – verstoringen op atomaire schaal in het kristalrooster – die tot 1000 keer hoger was dan in gebieden zonder patroon.

“Deze uitgebreide defecten zijn opwindend omdat ze het hele materiaal bestrijken, maar een heel klein volume beslaan”, zegt Andre Mkhoyan, professor aan de afdeling Chemische Technologie en Materiaalwetenschappen van de Universiteit van Minnesota en senior auteur van het onderzoek. “Door deze kleine kenmerken zorgvuldig te controleren, kunnen we de eigenschappen van zowel het defect als het omringende materiaal benutten.”

Dit niveau van controle betekent dat onderzoekers nu materialen kunnen ontwerpen waarbij verschillende secties dramatisch verschillende defectdichtheden en -types hebben, wat mogelijk tot nieuwe functionaliteiten kan leiden. Door een zeer hoge concentratie defecten langs de dikte van het materiaal aan te brengen, kunnen ze nieuwe films creëren waarin patronen op nanometergrootte volledig worden gedomineerd door de defecten, wat leidt tot revolutionaire materiaaleigenschappen.

“We hebben een nieuwe manier bedacht om materialen te ontwerpen door kleine, defect-inducerende patronen op het substraatoppervlak te maken voordat er een dunne film op groeit”, zegt Supriya Ghosh, een afgestudeerde student in het Mkhoyan Lab en eerste auteur van het papier.

Deze doorbraak biedt een manier om kleine interne kenmerken van materialen te beheersen. Hoewel de studie zich richtte op perovskietoxiden, zeggen de onderzoekers dat de methode zou kunnen werken met verschillende soorten dunne materialen. De hoop is dat elektronische apparaten ooit van deze defecten kunnen profiteren.

Naast Mkhoyan en Ghosh bestond het team van de Universiteit van Minnesota uit Jay Shah, Silu Guo, Mayank Tanwar, Donghwan Kim, Sreejith Nair, Matthew Neurock, Turan Birol en Bharat Jalan, van het Department of Chemical Engineering and Materials Science, samen met Fengdeng Liu die aanvullende banden heeft met het Department of Electrical and Computer Engineering.