Un'illustrazione di come il nitruro di titanio cubico con un rapporto da tre a quattro può essere sintetizzato a pressioni e temperature estreme in una cella a incudine di diamante riscaldata al laser. Credito:Venkata Bhadram.
Un team di scienziati sperimentali e computazionali guidati da Tim Strobel e Venkata Bhadram di Carnegie ha sintetizzato una forma a lungo ricercata di nitruro di titanio, Ti 3 n 4 , che ha proprietà meccaniche e optoelettroniche promettenti.
Nitruro di titanio standard (TiN), con un rapporto uno a uno di titanio e azoto, presenta una struttura cristallina simile a quella del sale da cucina:cloruro di sodio, o NaCl. È un metallo con proprietà abrasive e quindi utilizzato per rivestimenti di utensili e produzione di elettrodi. Nitruro di titanio con un rapporto di tre a quattro di titanio e azoto, chiamato nitruro di titanio, è rimasto inafferrabile, nonostante le precedenti previsioni teoriche sulla sua esistenza e il fatto che nitruri con questo rapporto sono stati identificati per gli altri membri del gruppo del titanio sulla tavola del periodo, compreso lo zirconio.
La squadra di Strobel e Bhadram:Hanyu Liu di Carnegie, e Rostislav Hrubiak, così come Vitali B. Prakapenka dell'Università di Chicago, Enshi Xu e Tianshu Li della George Washington University, e Stephan Lany del National Renewable Energy Laboratory —ha accettato la sfida. Il loro lavoro è pubblicato ed evidenziato come suggerimento dell'editore in Materiali per la revisione fisica .
Hanno creato Ti 3 n 4 in una fase cubica cristallina utilizzando una cella a incudine diamantata riscaldata al laser, che è stato portato a circa 740, 000 volte la pressione atmosferica normale (74 gigapascal) e circa 2, 200 gradi Celsius (2, 500 Kelvin). Strumenti avanzati a raggi X e spettroscopici hanno confermato la struttura cristallina che il team aveva creato in queste condizioni, e calcoli teorici basati su modelli hanno permesso loro di prevedere la natura termodinamica e le proprietà fisiche di Ti 3 n 4 .
Il TiN simile al sale da tavola è metallico, il che significa che può condurre un flusso di elettroni che costituisce una corrente. Ma cubico Ti 3 n 4 è un semiconduttore, il che significa che può avere la sua conduttività elettrica attivata e disattivata. Questa possibilità è estremamente utile nei dispositivi elettronici. I semiconduttori a base di titanio sono particolarmente popolari come catalizzatori per le reazioni di scissione dell'acqua solare per la produzione di idrogeno, una fonte di energia rinnovabile pulita.
Questa capacità di attivare e disattivare la conduttività è possibile perché alcuni degli elettroni di un semiconduttore possono spostarsi da stati isolanti a energia inferiore a stati conduttivi a energia più elevata quando sottoposti a un input di energia. L'energia necessaria per iniziare questo salto è chiamata band gap. Il band gap per il Ti3N4 cubico è maggiore del previsto in base alle previsioni del modello precedente. Per di più, come TiN metallico, Ti 3 n 4 si prevede che mostri eccellenti proprietà meccaniche e di resistenza all'usura.
"A nostra conoscenza questo è il primo rapporto sperimentale sul nitruro di titanio semiconduttore", ha detto l'autore principale Bhadram. "Riteniamo che questo lavoro stimolerà ulteriori sforzi sperimentali e teorici per progettare nuovi modi per aumentare la sintesi di Ti 3 n 4 a pressione ambiente."
