Un team guidato dall'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia ha sintetizzato una minuscola struttura con un'elevata superficie e ha scoperto come la sua architettura unica guida gli ioni attraverso le interfacce per trasportare energia o informazioni. Il loro "nanobrush" contiene setole fatte di lastre di cristallo alternate con interfacce allineate verticalmente e pori abbondanti.

"Si tratta di importanti risultati tecnici e possono rivelarsi utili per far progredire le tecnologie energetiche e dell'informazione, " ha detto Ho Nyung Lee di ORNL, che ha condotto lo studio pubblicato in Comunicazioni sulla natura . "Questo è un eccellente esempio di lavoro che è fattibile solo con le competenze e le capacità uniche disponibili nei laboratori nazionali".

I ricercatori del team provengono dai laboratori nazionali DOE Oak Ridge e Argonne e dal Massachusetts Institute of Technology, o MIT, Università della Carolina del Sud, Colombia, e Università del Tennessee, Knoxville.

Le setole del loro cristallo multistrato, o "supercristallo, " sono cresciuti in modo indipendente su un substrato. L'ex borsista post-dottorato dell'ORNL Dongkyu Lee ha sintetizzato i supercristalli utilizzando l'epitassia laser pulsata per depositare e costruire strati alternati di ossido di cerio con struttura a fluorite (CEO ₂ ) e ossido di ittrio a struttura bixbyite (Y2O3). La realizzazione delle setole su scala nanometrica è stata resa possibile dallo sviluppo di un nuovo approccio di sintesi di precisione che controlla la diffusione e l'aggregazione degli atomi durante la crescita dei materiali a film sottile. Utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione a scansione, o STEM, l'ex borsista postdottorato dell'ORNL Xiang Gao è stato sorpreso di scoprire interfacce cristalline atomicamente precise all'interno delle setole.

Per vedere la distribuzione di CeO ₂ e sì ₂ oh ₃ all'interno del nanobrush, Jonathan Poplawsky dell'ORNL ha misurato campioni dalle setole usando la tomografia a sonda atomica, o APT, presso il Centro per le scienze dei materiali nanofasici, un DOE Office of Science User Facility presso ORNL. "L'APT è l'unica tecnica disponibile in grado di sondare le posizioni tridimensionali degli atomi in un materiale con risoluzione sub-nanometrica e 10 parti per milione di sensibilità chimica, " Poplawsky ha detto. "L'APT chiarisce le distribuzioni locali degli atomi all'interno di un oggetto di dimensioni nanometriche ed è stata un'eccellente piattaforma per fornire informazioni sulla struttura 3-D dell'interfaccia tra gli strati di ossido di cerio e di ossido di ittrio".

Per un documento del 2017, i ricercatori guidati dall'ORNL hanno utilizzato l'epitassia mediante deposizione laser pulsata per sintetizzare con precisione nanospazzole con setole contenenti un solo composto. Per il giornale 2020, hanno usato lo stesso metodo per sovrapporre due composti, Amministratore delegato ₂ e Y2O ₃ , fabbricazione delle prime setole ibride con interfacce tra i due materiali. Tradizionalmente, le interfacce sono allineate lateralmente stratificando diversi cristalli in film sottili, considerando che nei nuovi nanobrush, quando vengono coltivati ​​su una superficie particolare, le interfacce sono allineate verticalmente attraverso la minimizzazione dell'energia superficiale in setole larghe solo 10 nanometri, circa 10, 000 volte più sottile di un capello umano.

"Questo è un modo davvero innovativo per costruire nanoarchitetture cristalline, fornendo interfacce verticali senza precedenti che non sono mai state ritenute praticabili, " Disse Ho Nyung Lee. "Non puoi ottenere queste perfette architetture cristalline da nessun altro metodo di sintesi".

Ha aggiunto, "Ci sono molti modi per utilizzare le interfacce, ecco perché il premio Nobel 2000 Herbert Kroemer ha detto:'l'interfaccia è il dispositivo.'" Convenzionalmente, depositare strati di materiali a film sottile su substrati crea interfacce allineate orizzontalmente, permettendo a ioni o elettroni di muoversi lungo il piano 2-D del substrato. Il risultato condotto da ORNL è la prova del concetto che è possibile creare interfacce allineate verticalmente attraverso le quali gli elettroni o gli ioni possono essere trasportati fuori dal piano del substrato. Inoltre, architetture come il nanobrush potrebbero essere combinate con altre architetture su nanoscala per creare dispositivi per le tecnologie quantistiche e il rilevamento, nonché l'accumulo di energia.

La configurazione a bassa energia della struttura della fluorite ha causato la formazione di modelli chevron unici, o forme a "V" invertite. Una leggera discrepanza tra le diverse strutture delle subunità di cristallo di fluorite e bixbyite provoca la mancata corrispondenza delle cariche elettroniche alle loro interfacce, facendo sì che gli atomi di ossigeno lascino il lato della fluorite, che porta alla formazione di difetti funzionali. Gli spazi che vengono lasciati indietro possono formare ioni di ossigeno interfacciale e creare un canale su scala atomica attraverso il quale gli ioni possono fluire. "Stiamo usando le interfacce non solo per creare artificialmente ioni di ossigeno, ma anche per guidare il movimento degli ioni in modo più deliberato, " ha detto Lee.

Con l'aiuto di Matthew Chisholm di ORNL, Gao ha utilizzato STEM per scoprire la struttura atomica del cristallo e la spettroscopia di perdita di energia degli elettroni per rivelare informazioni chimiche ed elettroniche sull'interfaccia. "Abbiamo osservato che un quarto degli atomi di ossigeno si perde alle interfacce, " ha detto Chisholm. "Siamo rimasti anche sorpresi dal modello di crescita chevron. All'inizio era fondamentale capire davvero come si formano le interfacce all'interno delle setole".

Il nanobrush ha un'elevata porosità, e la sua architettura è vantaggiosa per le applicazioni che richiedono un'ampia superficie per massimizzare le interazioni elettroniche e chimiche, come sensori, membrane ed elettrodi. Ma come potrebbero gli scienziati determinare la porosità del loro materiale? I neutroni, particelle neutre che passano attraverso i materiali senza distruggerli, hanno fornito uno strumento eccellente per caratterizzare la porosità del materiale sfuso. Gli scienziati hanno utilizzato le risorse della Spallation Neutron Source, un DOE Office of Science User Facility presso ORNL, per lo scattering di neutroni a piccolo angolo esteso a gamma Q che ha determinato che il limite superiore di porosità è del 49%. "Le setole a crescita rapida possono fornire circa 200 volte la superficie di un film sottile 2-D, ", ha affermato il coautore di ORNL Michael Fitzsimmons.

Ha aggiunto, "Ciò che apprendiamo può far avanzare le applicazioni della scienza dei neutroni nel processo. Considerando che i film sottili non forniscono un'area superficiale sufficiente per gli studi di spettroscopia dei neutroni, La nuova architettura nanobrush di ORNL fa, e potrebbe essere una piattaforma per saperne di più sui materiali di interfaccia quando un raggio di neutroni ancora più luminoso sarà disponibile presso la Second Target Station di SNS, che è un progetto di costruzione finanziato."

I calcoli teorici del sistema materiale dal livello elettronico e atomico hanno supportato i risultati sulla creazione di ossigeno-vacanza alle interfacce. Il collaboratore del MIT Lixin Sun ha eseguito calcoli della teoria del funzionale della densità e simulazioni di dinamica molecolare sotto la direzione di Bilge Yildiz.

"I nostri calcoli teorici hanno rivelato come questa interfaccia possa ospitare una chimica ampiamente diversa in questo tipo di interfaccia unica rispetto ai materiali sfusi, " ha detto Yildiz. I calcoli del MIT hanno previsto l'energia necessaria per rimuovere un atomo di ossigeno neutro per formare un vuoto vicino all'interfaccia o nel mezzo di uno strato di ossido di cerio. "In particolare, abbiamo scoperto che una grande frazione di ioni ossigeno viene rimossa all'interfaccia senza deteriorare la struttura reticolare".

Lee ha detto, "Infatti, queste interfacce critiche potrebbero formarsi all'interno di architetture nanobrush, rendendoli più promettenti dei film sottili convenzionali in molte applicazioni tecnologiche. La loro superficie molto maggiore e il maggior numero di interfacce, potenzialmente, migliaia all'interno di ciascuna setola, potrebbe rivelarsi un punto di svolta nelle tecnologie future in cui l'interfaccia è il dispositivo."

Il titolo dell'articolo è "Formazione colossale di ossigeno vacante in corrispondenza di un'interfaccia fluorite-bixbyite".