Vorming van nanodraden leidt tot onverwachte fasen

Om grote doorbraken te maken, moet je soms heel klein beginnen.

Een manier waarop wetenschappers het meeste uit bepaalde kwantummaterialen kunnen halen, is door structuren op nanoschaal te fabriceren die nieuwe eigenschappen genereren aan de oppervlakken en randen van het materiaal. Cornell-onderzoekers gebruikten het relatief eenvoudige proces van thermomechanische nanomolding om enkelkristallijne nanodraden te maken die metastabiele fasen mogelijk maken die anders moeilijk te bereiken zouden zijn met conventionele methoden.

“We zijn echt geïnteresseerd in deze synthesemethode van nanomolding omdat het ons in staat stelt om veel verschillende soorten materialen snel en gemakkelijk op nanoschaal te maken, maar met een deel van de controle die andere synthesemethoden voor nanomaterialen missen, met name controle over de morfologie en de grootte , “zei Judy Cha, professor materiaalkunde en engineering bij Cornell Engineering, die het project leidde.

De paper van het team, “Nanomolding of Metastabiel Mo₄P₃‘, gepubliceerd op 12 april in Materie. Hoofdauteur van het artikel is postdoctoraal onderzoeker Mehrdad Kiani.

Bij thermomechanisch nanovormen wordt een materiaal geconsolideerd tot een bulkgrondstof, in een poreuze mal gedaan en enkele uren bij hoge temperaturen geperst. De resulterende structuur wordt vervolgens gescheiden van de grondstof – in dit geval door ultrasone trillingen, een proces dat bekend staat als sonicatie – en afgezet op een siliciumwafel of ander oppervlak.

Het voordeel van dit proces is dat hoeveelheden vaste materialen op nanoschaal kunnen worden gevormd bij temperaturen ver onder hun smeltpunt, wat neerkomt op gemakkelijke verwerkingsomstandigheden. Hierdoor kan een breed scala aan materialen worden gebruikt voor onaangeboorde exotische eigenschappen, vergelijkbaar met de manier waarop grafeen een revolutie teweeg heeft gebracht in de geleiding in elektronica.

Het team van Cha heeft geëxperimenteerd met molybdeenmonofosfide (MoP), een topologische verbinding.

“Er wordt voorspeld dat topologische metalen een afnemende weerstand zullen hebben naarmate je naar kleinere maten gaat, en MoP is niet alleen topologisch, maar heeft ook een zeer hoge dragerdichtheid (elektronen per volume), wat de weerstand verder zou moeten helpen verlagen”, zei Kiani.

Cha en haar team hebben eerder aangetoond dat nanomolding van topologische nanodraden de ontdekking van nieuwe elektrische eigenschappen voor toepassingen zoals kwantumcomputing, micro-elektronica en schone-energiekatalysatoren zou kunnen versnellen. Deze nanodraden zouden bijzonder geschikt zijn om verbindingen te vormen tussen de miljarden transistors in geïntegreerde schakelingen.

Eerder dit jaar toonde de groep aan dat MoP-nanodraden zo’n lage soortelijke weerstand hebben dat ze beter presteren dan koperen verbindingen.

“Dat was een verrassende ontdekking,” zei Cha. “Maar de uitdaging was dat we door moesten gaan met het steeds kleiner maken van MoP, en de methoden die we gebruikten, brachten ons daar gewoon niet. Dus toen kwam er een nanomolding-methode, en we zagen het als een manier om nog kleinere MoP-nanodraden te maken om te blijven controleren of de soortelijke weerstand nog steeds veel lager zal zijn dan die van koper.”

In plaats daarvan ontdekten ze dat het gietproces van nanodraden een kristalstructuur van MoP omzet in een andere samenstelling: Mo₄P₃.

“Dat hadden we niet verwacht. En nog verrassender was dat deze fase Mo₄P₃ is geen stabiele fase die je normaal krijgt, “zei Cha. “Nu realiseren we ons dat deze vormmethode ons mogelijk metastabiele fasen kan opleveren.”

De metastabiele Mo₄P₃De soortelijke weerstand was ongeveer 75% hoger dan die van MoP’s, dus MoP blijft nog steeds de meest veelbelovende kandidaat voor interconnects.

“Dit verbreedt echt onze verkenningsruimte voor nieuwe materialen. En wie weet wat de mogelijkheden zijn?” Cha zei. “Toen grafeen voor het eerst werd ontdekt, was het helemaal niet duidelijk dat we het bijvoorbeeld in een golfbal konden gebruiken om na te denken over een alledaagse toepassing. Voor nu willen we het volgende voorbeeld van Mo vinden₄P₃een andere metastabiele fase die we kunnen stoppen en er vervolgens nanodraden van kunnen maken.”